精馏塔塔釜温度控制系统

1、 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：精馏塔塔釜温度控制系统设计精馏塔塔釜温度控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2014-12-15至至2014-12-26 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪 学 号学生姓名专业班级 设计题目精馏塔塔釜温度控制系统设计 课程设计（论文）任务 设计任务设计任务 设计精馏塔塔釜温度

2、控制系统。精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置，通 过精馏操作可将由多组分组成的混合物分离成较纯组分的产品。精馏塔温度是保证 分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，一方面保证精馏塔 温度恒定，另一方面保证生产的连续性。工艺要求塔釜温度控制在 800 2 。在生 产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，压 力变化了 40%。 设计要求设计要求 1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和 开闭形式； 4、进

3、行模拟调试或仿真； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书在 4000 字以 上。 技术参数技术参数 测量范围：01000 ； 控制温度：800 2 ； 最大偏差：50。 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天 ） 2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。 （1 天 ） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。 （2 天 ） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。 （ 1 天） 调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。 （ 1 天） 5、上机实现系统的模拟运行、答辩。 （2 天 ） 6、撰写、打印设计说明书（1 天

4、 ） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 器注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） III 摘 要 精馏是把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝， 使混合物分离为所要求组分的操作过程，是在石油及化工等众多生产过程中广泛 应用的一种传质方法，通过精馏，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的 纯度。精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理比较复杂，动态响应 迟缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要 求又较高，确定精馏塔

5、的控制方案是一个十分重要的课题。精馏塔塔釜温度控制 的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是 保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。对于精馏塔工作受物料 平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统和前馈控制系统无法满足精馏塔这 一复杂的、综合性的控制要求，因此设计了基于串级控制的精馏塔塔釜温度控制 系统。 关键词：精馏；多输入多输出；串级控制 本科生课程设计（论文） III 目录 第 1 章 绪 论.1 第 2 章 课程设计的方案论证.2 2.1 系统对象特性分析.2 2.2 方案设计.3 2.3 确定设计方案.5 第 3 章 仪表的设计选择.6 3.1

6、 检测仪表的选择设计.6 3.1.1 温度传感器的选择设计.6 3.1.2 温度变送器的选择设计.7 3.1.3 压力传感器的选择设计.8 3.2 执行器的选择设计.9 3.3 电/气转换器的选择设计.11 3.4 控制器的选择设计.11 3.4.1 温度控制器的选择设计.12 3.4.2 压力控制器的选择设计.12 3.5 PID 控制算法.13 第 4 章 系统仿真或模拟调试.15 第 5 章 课程设计总结.18 参考文献.19 本科生课程设计（论文） III 第 1 章 绪 论 随着当今世界石油化工业的迅猛崛起，人们也开始重视起石油化学的加工技 术，而其中精馏操作的应用也越来越广。精馏使

7、混合物料中的各组分分离，达到 规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同） ，也 就是同一温度下，各组分的蒸汽分压不同这一性质，使液相中的低沸物和高沸物 进行互相转移，从而实现分离。在实际生产过程中精馏操作可分为间歇精馏和连 续精馏两种。对于石油化工的生产等大型生产过程，主要是采用连续精馏。精馏 塔可分为精馏段，提馏段各塔板，进料板，塔顶冷凝器及回流罐，塔釜等。 精馏塔的控制目标为，在保证产品质量的合格前提下，使塔的总效益最大或 者生产成本达到最小化。温度作为间接质量指标是精馏塔质量控制中应用最早同 样也是最为普通的一种。对于二元精馏塔而言，在一定压力下，沸点和产品的成

8、分有单值对应关系，只要塔压恒定，塔釜的温度便反应了成分。对于多元精馏塔 而言，压力一定而保持一定的温度，成分的误差便可忽略不计。精馏塔温度是保 证分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，其主要干扰因 素为进料状态，即进料流量，进料温度及进料成分等。此外，冷剂与加热剂的压 力和温度及环境温度也会影响精馏塔的平衡操作。因此，在精馏塔方案确定时将 进料状态，进料温度等加以定值控制是对精馏塔的平衡操作是十分有利的。控制 系统大体可分为简单控制系统和复杂控制系统，具体包括结构简单的单回路控制 系统和复杂的串级控制系统，前馈控制系统，大滞后控制系统，比值控制系统， 均匀控制系统和分程控制系

9、统等。在实际精馏塔的整体控制方案中，简单的单回 路控制系统不能满足高精度的工艺要求，因此串级控制，均匀控制，比值控制和 前馈控制等控制系统经常被使用。 本科生课程设计（论文） III 第 2 章 课程设计的方案论证 2.1 系统对象特性分析 本次设计主要是综合应用所学知识，设计精馏塔塔釜温度控制系统，并在实 践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控制系 统”课程中所学的基本理论和基本方法。 应用场合:炼油、化工生产中的主要装置。 系统功能介绍:精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置。对于由多组分组成 混合物，利用其组分的不同挥发度，通过精馏操作将其分离成较纯的组分的产品

10、。 在精馏塔分离过程中塔釜温度是保证产品分离纯度的重要指标，因此控制塔釜温 度在控制系统中尤为重要。在此系统中控制变量为蒸汽流量，被控对象为塔釜温 度。蒸汽经过再沸器对其进行加热，因为温度是精馏塔分离过程的重要指标，所 以蒸汽流量的控制是精馏塔的工艺要求的决定性因素蒸汽压力是系统的主要干扰 因素。 。精馏塔是一个多变量的被控过程，可供选择的被控变量和操作变量众多 的，选定一种变量配对，就组成了一种控制方案。 精馏塔的主要干扰因素有以下几点： 1: 蒸汽压力的干扰 2: 进料组分的干扰 3: 进料温度的干扰 4: 进料流量的干扰 本科生课程设计（论文） III 2.2 方案设计 通过对于精馏塔中

11、蒸汽压力，进料组分和进料流量等的干扰因素的分析，控 制系统的设计方案拟定为串级控制系统和前馈控制系统两个方案。 方案一：串级控制系统 串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较 大，干扰比较剧烈频繁时若采用简单的控制系统便不能满足工艺控制要求，在系 统结构上，串级控制系统包括两个控制回路，通过副回路的引入不仅能够迅速克 服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰，进而使系统控制品质显著 提高。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它 们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围之内。 + + f 1,f2 X2 f 3,f4 - -

12、(t) + 副对象 压力变送器 温度变送器 X1 主调节器主对 象 副调节器调节阀 图 2.1 串级控制系统框图 本设计中，主被控变量为温度，副被控变量为蒸汽压力。为保证精馏塔温度 恒定和生产的连续性，将精馏塔塔釜温度调节器和蒸汽压力调节器构成串级控制 系统，其精馏塔塔釜温度为主调节器，蒸汽压力调节器为副调节器。串级控制系 统之所以适合蒸馏塔塔釜温度控制系统可以归纳为以下几个原因：串级控制系统 对进入副回路的干扰有很大的克服能力，这便可以防止蒸汽压力变化剧烈对于生 产过程的影响。串级控制系统改善了被控过程的特性，提高了系统的工作效率， 充分保证了精馏塔的分离纯度。对负荷和操作条件的变化有一定的

13、适应能力。 串级控制系统在精馏塔控制中经常用于质量反馈控制系统。精馏塔塔釜温度控制 系统采用串级控制系统可以保证主被控变量的控制质量，作为操作的变量，一般 状态下保持稳定有利于工艺的平稳操作。 本科生课程设计（论文） III 方案二：前馈控制系统 前馈控制系统是当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器， 根据扰动量的大小进而改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。精馏塔塔 釜温度控制系统设计中蒸汽压力主要干扰，进料流量及进料组分等为次要干扰。 前馈控制系统是一种预测控制，通过对于当前系统工作的了解进而预测出下一阶 段系统的运行情况。本设计中主要干扰为蒸汽压力，采用前馈控制系统可以直

14、接 根据蒸汽压力的变化，通过一个前馈控制器 PC 直接控制调节阀，这样可在精馏 塔塔釜温度变化之前，及时对蒸汽压力这一主要干扰进行补偿，进而保证精馏塔 塔釜的正常工作。 前馈控制系统多种多样，根据结构可分为静态前馈控制，动态前馈控制，前 馈反馈复合控制系统和前馈串级复合控制系统等。静态前馈控制结构简单并且易 于实现，但在扰动影响下动态偏差仍然存在，对于扰动频繁且要严格控制的动态 偏差的精馏塔塔釜温度控制系统，显然静态控制无法满足生产工艺的精度要求， 静态特性前馈控制是动态特性前馈控制的一种特殊形式，并且动态前馈与其他控 制系统相比结构简单易于控制，因此本设计选用动态前馈控制系统。 前馈控制系统

15、的特点可分为以下几点:基于扰动来消除扰动对被控量的影响， 又可称为扰动补偿。在扰动发生时，前馈控制“及时”动作。前馈控制属于开环 控制，只要系统中各环节处于稳定状态，整个系统就稳定工作。其中扰动只代表 可测不可控干扰。一种前馈控制只能克服一种扰动，控制规律完全取决于被控对 象的特性。同样前馈控制也存在着明显的局限性：在实际的工业过程中干扰很多， 不可能对每个干扰设计一套检测装置和前馈控制器。决定前馈控制特性的被控过 程的特性的精确表达式很难能到在物理上很难实现。 图 2.3 前馈控制系统框图 + + Y(s) F(s) Gm(s) Go(s)Gv(s) Gb(s) Gf(s) 本科生课程设计（

16、论文） III 图 2.4 前馈控制系统示意图 2.3 确定设计方案 对于本设计的要求，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要 求。由于考虑物料、压力等物理量对精馏塔釜温度的影响，并且干扰变化剧烈， 幅度大，有时从 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，压力变化 40，干扰幅度较大。并 串级控制系统与前馈控制系统的特点比较，串级控制系统由于副回路的作用，对 于 40%的扰动具有较强的克服能力。在精馏塔塔釜控制系统中不仅要排除干扰的 影响，同时也要保证工艺生产的正常工作，一方面保证精馏塔温度恒定，另一方 面保证生产的连续性。考虑工艺要求塔釜温度控制在 800 2 。 精馏塔温度控制系

17、统通过串级系统的主副控制器实行温度控制，主回路是定 值控制系统，副回路是随动控制系统。当压力恒定时，精馏塔分离过程正常运行， 当蒸汽压力出现剧变时，由副回路进行克服干扰，使系统正常运行。 塔釜产品 蒸汽 再沸器 精馏塔 PC PY LC 本科生课程设计（论文） III 第 3 章 仪表的设计选择 在精馏塔塔釜温度控制系统设计中，共有检测仪表类中的温度传感器、温度 变送器及压力变送器，实行操作环节的执行器，进行信号转换的电气转换器和进 行指挥的控制仪表。各类仪表的准确选型是控制系统能够完成工艺要求的前提。 3.1 检测仪表的选择设计 在工业生产中，为了有效地控制生产过程，保证生产安全和产品质量，

18、必须 及时检测出生产过程中有关参数。检测仪表将生产过程的参数，经检测和变送转 换为标准信号。标准信号一般为：15V电压信号，420mA电流信号和 20100Kpa气压信号。检测仪表种类繁多，针对生产过程中不同参数和不同的工 作条件不同的功能要求，相应的检测方法及仪表的结构也各不相同。 图3.1 检测仪表工作原理图 3.1.1 温度传感器的选择设计 本设计中，在精馏塔塔釜处需要进行温度的测量。温度在工艺控制中是一个 极为重要参数，不能够直接测量，只能通过各种间接方法测量，分为接触式测量 方法和非接触式测量方法。温度传感元件多种多样，可分为热电偶、热电阻和集 成温度传感元件。 热电偶作为温度传感元

19、件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以 测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。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500C以上的 高温，可以在1600C高温下长期使用。 热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如 果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的 生产参数 检测元件变送器 标准信号 本科生课程设计（论文） III 关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻 分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高 而增加，而大多

20、数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。 在本设计中塔釜温度应控制为 800 2，温度测量范围 01000，通过计算 温度精度等级为 0.2 级。通过工艺要求和实际生产的考虑，本设计采用铂铑 30-铂 铑 6 B 型号 WRR-130 温度传感器。铂铑热电偶在热电偶系列中具有准确度最高、 稳定性最好、测温温区宽、使用寿命长等优点，铂铑热电偶又称高温贵金属热电 偶，铂铑有单铂铑（铂铑 10-铂铑）和双铂铑（铂铑 30-铂铑 6）之分，它们作为 温度测量传感器，通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用，组成过程 控制系统 WRR-130 采用贵金属高纯铂金为负极，铂铑合金为正极，用于粉未冶 金

21、，烧结光亮炉，真空炉，冶炼炉及多种耐火材料、陶瓷、瓷器烧制，外管材质 为刚玉，测量温度为 0-1800。其具体技术指标如下： 1: 测温范围： 01800 2: 允差等级：A 3: 响应时间：50 s 4: 分度号：B 5: 外形尺寸：16*700（mm） 6: 规格尺寸：0.5 丝径,0.4 丝径,0.3 丝径 图 3.2 温度传感器实物图 3.1.2 温度变送器的选择设计 由于检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号要求。进而通过变 送器将各种不同的检测信号转换为标准信号输出。温度传感器输出信号需经温度 变送器转换之后，才能与调节阀控制器进行配合工作。温度变送器从信号上可分 本科生课

22、程设计（论文） III 为模拟式数字式两类，模拟式与数字式优点各不同，数字式以 CPU 为核心，具 有信号补偿，信号转换等多种功能。模拟式由模拟器件构成，输出模拟信号。 本设计选用 DDZ-型系列 DBWM 型热电偶变送器，DBWM 型热电偶变送 器是 DBW 型热电偶变送器改进产品，DBWM 型热电偶变送器可与各种类型热电 偶传感器配套使用，将传感器输出信号转换为 15V 或 420mA 标准信号供给指 示仪，模拟调节器，可编程数字调节器，分散系统及工业过程控制机,可由 DC24V 直接供电，具有本质安全防爆功能。DBWM 型热电偶变送器采用四线制 连接方式，由于在电路上采用了高性能的功能模

23、块结构方式，使整机结构紧凑， 体积缩小，重量轻安装调校简单，维护工作量小，且具有断偶报警功能（输入信 号大于 5V 或小于 1V） 。输入信号：各档热电势（适配于各种型号热电偶），输 出信号：15V DC;420mA DC，负载电阻：0500，环境温度：540， 相对湿度：1075%，供电电源：24V1.2V DC，消耗功率：2.5W。 图 3.3 温度变送器实物图 3.1.3 压力传感器的选择设计 本设计中，蒸汽压力是精馏塔塔釜温度控制系统的主要干扰，因此在蒸汽进 入管道处需要对蒸汽压力进行测量。压力是工业生产的重要参数，在化工炼油等 生产过程中，经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气

24、压力高很多的高 压，超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。在精馏塔塔釜温度控制系统中， 蒸汽压力为主要干扰，变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，压力变化了 40%。在系统中，如果干扰不能得到合理的控制，将会影响 生产过程的正常运行。 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自 控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石 本科生课程设计（论文） III 化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器种类很多，传统的 测量方法是利用弹性元件的位移和变形来表示，但是它的体积大，笨重并且输出 非线性。随着现

25、代电子科技大迅猛发展，利用半导体材料的压阻效应和良好的弹 性研制出的半导体力敏传感器。其具有体积小，重量轻及灵敏度高的特点。 控制系统中，蒸汽压力变化剧烈并且幅度大，有时从 0.5Mpa 下降到 0.3Mpa，压力变化 40%，为满足精馏塔塔釜温度控制系统的工艺要求和测量压力 的精度，本设计选用电气性压力计中的电容式差压传感器。电容性差压传感器是 一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感 器，其结构紧凑，电路独特，测量精度高。本设计选用型号为罗斯蒙特 3051TA 型压力变送器，罗斯蒙特 3051TA 型压力变送器集传感器电子技术和单隔离膜片 与一体，由一台设备完

26、成检测变送的功能，利用数字化补偿技术对温度、静压进 行了补偿，提高了测量精度，降低了温度漂移。3051 系列智能变送器具有设计原 理新颖、品种规格齐全、安装使用简便、安全防爆等特点。尤以精度高、体积小、 重量轻、调整方便、长期稳定性好、单向过载保护能力强、适用于恶劣场所使用 而著称。3051TA 型压力传感器具体技术指标如下： 1: 测量范围：0-10 至 0-1034kPa 2: 精度等级：0.5% 3: 输出信号：420（mA） 4: 接口尺寸：M20X1.5（mm） 5: 测量介质：液体、气体或蒸汽 图 3.4 压力传感器实物图 3.2 执行器的选择设计 执行器是自动控制系统中的操作环节

27、，其作用是根据控制器送来的控制信号 本科生课程设计（论文） III 改变所操作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上。自动调节阀是能够 按照输入的控制信号自动改变开度的阀门，调节阀按照工作能源形式分为气动， 液动和电动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，在易燃易爆环境中工 作，广泛应用于化工炼油的等生产过程中。电动调节阀用电源，其特点能源取用 方便，信号传递迅速等。液动调节阀用液压进行推动，推力很大。调节阀的结构 形式主要根据工艺条件，如使用温度，压力及介质的物理特性，化学特性等来选 择，一般可分为直通单座阀，直通双座阀和蝶阀等。 精馏塔塔釜温度控制系统应用于化工炼油生产，因此本设计

28、选用气动调节阀。 由于调节阀由执行机构和阀门组装而成，然而执行机构有正反作用两种，阀门也 有正反作用两种，因此组装而成的气动调节器有气开式调节阀和气关式调节阀两 种形式。气关式调节阀是无压力信号时阀门全开，随着压力信号的增大，阀门逐 渐关小。相比气关式调节阀，气开式调节阀工作特性与之相反，无压力信号时阀 门全闭，随着压力信号增大阀门逐渐开大。对于调节阀的选择，一般可以考虑以 下几个方面：调节阀结构的选择，气开式与气关式的选择，调节阀流量特性的选 择，调节阀口径的选择。由于本设计用于控制蒸汽流量，精馏塔塔釜温度受蒸汽 压力的变化影响大，为了使温度保持相对稳定的状态，当蒸汽突然增大或者降低 时应保

29、持蒸汽压力恒定，阀开度随着蒸汽压力的增大而增大。因此本设计选用气 开式调节阀。调节阀的选择除了以上参考因素还应考虑阀门的流量特性，通过调 节阀的工艺要求来对流量特性进行选择，在本控制系统中，调节阀的阀开度随之 蒸汽的增大而增大，即调节阀的放大系数随之增大，由此看出相对流量与相对开 度呈百分比流量特性。 经过对比之后，选用型号ZMAP型气动气开式薄膜调节阀，高压单座调节阀 是一种上导向结构的调节阀，结构紧凑，压降损失小，流量大，可调范围广。公 称通径：25、40、50、80mm。公称压力：ANSI 900、1500、2500 JIS 63K。以不 锈钢，碳钢等材料为制作材料，采用法兰连接形式，具

30、有等百分比特性和线性特 性。 本科生课程设计（论文） III 图 3.5 执行器实物图 本科生课程设计（论文） III 3.3 电/气转换器的选择设计 为了使气动执行器能够接收电动控制器的输出信号，必须使用电/气转换器把 控制器输出的标准信号转换为20100kPa的标准气压信号。本设计系统采用EPC系 列DQ-3型电/气转换器。此种电气转换器体积小，灵敏度高，安装方便，是直动 式(无反馈)仪表，可以得到高功率的气动输出信号，现场可直接改变作用方式， 供气范围宽、适应各种不同场合使用并且具有防爆功能。DQ-3型电/气转换器具 体技术指标如下： 1: 输入信号：420mA 2: 输出讯号：2010

31、0kPa 3: 仪表精度：0.5% 4: 转换器内阻：250 图3.6 电/气转换器实物图 3.4 控制器的选择设计 本设计中，共有塔釜温度和蒸汽压力两处需要控制，因此需要对温度控制器 和压力控制器进行选型。控制仪表一般可分为基地式控制仪表，单元组合式控制 仪表和以微处理器为中心的控制仪表。按照控制规律又可分为双位控制，比例控 制，比例积分控制和比例微分控制。控制器又可分为模拟式控制器，数字式PID 控制器和可编程逻辑控制器。模拟式控制器是用模拟电路实现控制功能，经历了 型，型和型。数字式PID控制器是以微处理器为基础的多功能控制仪表， 可接受多路模拟量及开光量输入信号，能实现复杂的运算控制，

32、并具有通信及故 障诊断功能。可编程逻辑控制器简称PLC，基于微机技术解决生产中大量的开关 本科生课程设计（论文） III 顺序控制问题，可编程控制器最大特点在于可编程序，可通过改变软件来改变控 制方式。 控制系统系统中各环节按照工作特性，正负号作以下规则： 1 调节阀：气开式取“+”，气关式取“-”； 2 被控对象：若控制变量增加时，被控参数随之增加取“+”；反之，则取 “-”； 3 变送器：输出信号随被测变量增加而增大，取“+”；反之取“-”； 4 调节器：测量输入增加，调节器输出增大时取“+”；测量输入增加时， 调节器输出减小时取“-”； 在此串级控制系统中，温度变送器为“+”，压力变送器

33、为“+”，气开式调 节阀为“+”，通过系统中主、副对象，主、副控制器及调节阀的关系，对于主 对象温度的控制，温度控制器选为反作用。对于副对象压力的控制，压力控制器 为反作用。 3.4.1 温度控制器的选择设计 为满足精馏塔塔釜温度控制系统的工艺要求，本设计选用 DDZ-型仪表。 型仪表 DT2031 数字调节器是基于电动单元组合仪表进行升级，采用数字化控 制技术的新型过程控制仪表，是一种智能型调节器，环境温度：050相对湿 度：1085%，RH 大气压力：86106Kpa，外磁场强度：400Nm。仪表的内 部有功能强大的微处理器，根据不同要求进行组态设定。实现具有微分前馈功能 的 PID，PI

34、，PD，P 控制方案，操作，组态，设定方便，性能价格比高，可用于 电力、冶金、石油、化工等领域的自动化控制。 图3.6 温度控制器实物图 本科生课程设计（论文） III 3.4.2 压力控制器的选择设计 在精馏塔塔釜温度控制系统中，为满足蒸汽压力的控制，选用型号为 YK306S 的压力控制器。YK 系列压力控制器产品用作压力控制和压力保护，当 系统压力到调定值时，开关自动切断（或接通）电路，除自动复位型外，还备有 高压手动复位型，高低压手动复位型。具有刻度指示的压力和压差调节，压力和 压差调节的精度高，重复动作点稳定并且适用介质为压缩空气、水、油等多种多 种物质。 YK306S 压力控制器测量

35、精度为 0.05Mpa，测量范围为 03.0 Mpa，外形尺寸为 108*102*50（mm） 。 图 3.7 压力控制器实物图 3.5 PID 控制算法 PID 控制是一种线性控制方法，控制参数整定过程包括：过程扰动产生，扰 动响应评估及控制器参数的计算。根据给定值 r（t）与实际输出值 y（t）构成控制 偏差 e（t） ，即 e（t）= r（t）-y（t） 。对偏差 e（t）进行比例，积分和微分运算。将三 种运算的结果相加，就得到 PID控制器的控制输出 u（t） 。 在连续时间域中，PID控制器算法的表达式如下： 式中：Kp 为比例系数，Ti 为积分时间常数，Td 为微分时间常数。 PI

36、D 控制器各个校正环节的作用如下： )1-3(. )( )( 1 )()( 1 0 dt tde Tdtte T teKty D l p 本科生课程设计（论文） III 比例环节：成比例的反应控制系统的偏差信号 e（t） ，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减少偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数 Ti,Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：反映偏差信号的变化趋势，调节误差的微分输出，误差突变时， 能及时控制，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正 信号，从而加快系统的动作速度，进而得到优化的控制性能。

37、 本设计中，通过串级系统的主副回路来对精馏塔塔釜温度进行控制。主回路 中以精馏塔塔釜为主要控制参数，塔釜温度是精馏塔分离工艺重要参数。主回路 中主副对象传递函数分别为： 主对象函数： )2-3(. 162 .51 04 2 s s sG 副对象函数： )3-3.(. 151 1 4s s sG 为满足精馏塔塔釜温度控制系统的工艺要求，本设计中主调节器采用比例积 分微分控制（PID 控制） ，副调节器采用比例控制（P 控制） 。 本科生课程设计（论文） III 第 4 章 系统仿真或模拟调试 根据串级控制系统方框图使用 MATLAB 对系统的阶跃响应进行仿真，通过 观察仿真图进行判断系统控制器参

38、数选择是否使系统满足工艺要求。 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了 P 控制。整定串级控制系统的参数为最佳值，用 MATLAB 仿真。通过仿真曲线来对调节器参数进行整定，改变主副调节器参数 来使过渡过程的递减比为 4：1。本设计采用一步整定法来对主副控制器的参数进 行整定，先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路孔控制系统 的整定方法直接整定主控制器参数 。副控制器选择比例调节规律 ，因为副回 路进行压力控制， 为使递减比满足要求，将 副回路中 Kp=5，主回路中 Kp=2.2，Ti=30,Td=2。图 4.1 MATLAB 仿真框图 图 4.2 MATLAB 仿真图 1 根据精馏塔温度控制系统的工艺要求：800 2。系统阶