精馏塔釜温度与蒸汽流量
串级控制系统设计
姓名： 班级： 专业：自动化 指导教师：
2011年7月1日
目录
一、
二、
三、
四、
五、
六、
七、
题目要求……………………………………………………………
总体设计方案…………………………………………………………
系统器件选择…………………………………………………………
硬件设计（包括电气接线）…………………………………………
控制算法选择…………………………………………………………
控制参数整定………………………………………………………….
心得体会………………………………………………………………..
一、题目要求：
1. 画出控制系统框图。
2．采用 MATLAB 对系统的阶跃响应进行仿真，根据仿真结果，判断
塔釜温度最大偏差是否满足工艺要求？ 3．在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，根据仿真曲线，分析系统调节时间。
4．将蒸汽流量作为副变量，把蒸汽压力的干扰包括在副回路中，构成精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统。副控制器选择P 作用，主控制器选择PID 作用，整定串级控制系统的参数为最佳值。
5．在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线，最大偏差是否满足工艺要求？
二、总体设计方案
单回路控制系统框图
串级控制系统框图
三、系统器件选择（包括器件参数）
温度传感器选择：
热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV ）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。
铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP 型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。 调节器与执行器、传感器的选型 调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4—20MA 直流电流和1—5伏直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250欧。
调节器 温度传感器 调节阀 818型PID 调节器 WRP 系列热电偶传感器 ML7420A 流量传感器 变频器 水泵
MLF-1 西门子MM440 0.37kw
四、硬件设计方案
副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度
当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有： D 2→Y 2↑→Y 1↑→Z 1↑→E 1(=R 1-Z 1) ↓→R 2↓→
E 2↓→Y 2↓→Y 1↓
主、副调节器正反作用方式确定：
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调
节阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv ﹥0。主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。
控制系统硬件接线图
五、控制算法选择
在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温
度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID 调节作为主调节器的调节规律。
控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P 控制。
调节器1：P=2;I=0.454;D=0;SN=33;CF=0;ADDR=1;SV=8; DIH=50;
DIL=0;
副调节器：P=1； 六、控制参数整定
在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图所示：
在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，仿真曲线如图所示：
由仿真曲线图可观察知：因塔釜温度最大偏差为3.5℃，单回路控制系统不能满足工艺要求。
保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为10：1的比例度P 1S ，记取过渡过程的振荡周期T 1S 。当衰减比为10：1时，比例度P 2s 为1，Tr 为210。 主、副调节器参数整定好以后系统响应曲线如图所示：
在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线如图所示：
若采用以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参数的串级控制系统，把蒸汽压力变化这个主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特点，将副调节器的比例放大系数调到1. 实际运行表明，塔釜温度的最大偏差未超过1.5℃，完全满足了工艺要求。 七、心得体会
在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。
在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。
精馏塔釜温度与蒸汽流量
串级控制系统设计
姓名： 班级： 专业：自动化 指导教师：
2011年7月1日
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一、
二、
三、
四、
五、
六、
七、
题目要求……………………………………………………………
总体设计方案…………………………………………………………
系统器件选择…………………………………………………………
硬件设计（包括电气接线）…………………………………………
控制算法选择…………………………………………………………
控制参数整定………………………………………………………….
心得体会………………………………………………………………..
一、题目要求：
1. 画出控制系统框图。
2．采用 MATLAB 对系统的阶跃响应进行仿真，根据仿真结果，判断
塔釜温度最大偏差是否满足工艺要求？ 3．在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，根据仿真曲线，分析系统调节时间。
4．将蒸汽流量作为副变量，把蒸汽压力的干扰包括在副回路中，构成精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统。副控制器选择P 作用，主控制器选择PID 作用，整定串级控制系统的参数为最佳值。
5．在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线，最大偏差是否满足工艺要求？
二、总体设计方案
单回路控制系统框图
串级控制系统框图
三、系统器件选择（包括器件参数）
温度传感器选择：
热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV ）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。
铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP 型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。 调节器与执行器、传感器的选型 调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4—20MA 直流电流和1—5伏直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250欧。
调节器 温度传感器 调节阀 818型PID 调节器 WRP 系列热电偶传感器 ML7420A 流量传感器 变频器 水泵
MLF-1 西门子MM440 0.37kw
四、硬件设计方案
副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度
当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有： D 2→Y 2↑→Y 1↑→Z 1↑→E 1(=R 1-Z 1) ↓→R 2↓→
E 2↓→Y 2↓→Y 1↓
主、副调节器正反作用方式确定：
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调
节阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv ﹥0。主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。
控制系统硬件接线图
五、控制算法选择
在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温
度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID 调节作为主调节器的调节规律。
控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P 控制。
调节器1：P=2;I=0.454;D=0;SN=33;CF=0;ADDR=1;SV=8; DIH=50;
DIL=0;
副调节器：P=1； 六、控制参数整定
在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的仿真曲线如图所示：
在系统稳定运行大约900s 后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号，仿真曲线如图所示：
由仿真曲线图可观察知：因塔釜温度最大偏差为3.5℃，单回路控制系统不能满足工艺要求。
保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为10：1的比例度P 1S ，记取过渡过程的振荡周期T 1S 。当衰减比为10：1时，比例度P 2s 为1，Tr 为210。 主、副调节器参数整定好以后系统响应曲线如图所示：
在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线如图所示：
若采用以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参数的串级控制系统，把蒸汽压力变化这个主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特点，将副调节器的比例放大系数调到1. 实际运行表明，塔釜温度的最大偏差未超过1.5℃，完全满足了工艺要求。 七、心得体会
在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。
在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。