中北大学
课 程 设 计 说 明
学生姓名： 曾一峰 学 号：学 院： 机械工程与自动化学院
专 业： 过程装备与控制工程
题 目： 精馏塔提馏段温度前馈
指导教师： 刘广璞 职称: 副教授
刘波 职称: 副教授
崔宝珍 职称: 副教授
职称2013年1月18日 书
中北大学
课程设计任务书
学年第学期
学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 曾一峰 学 号： 0802034144
课程设计题目： 起 迄 日 期： 2013 年 1月7 日～2013 年 1月 18日
课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 刘广璞、刘波、崔宝、高强
系 主 任： 姚竹亭
下达任务书日期: 2013年1月7日
课 程 设 计 任 务 书
目录
1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述…………………………………………1
1.1概述…………………………………………………………………………1
1.2 前馈-反馈控制系统 ………………………………………………………1
2 精馏概述…………………………………………………………………………2
2.1精馏原理以及工业流程……………………………………………………2
2.2精馏塔的特性………………………………………………………………2
3. 控制系统设计… …………………………………………………………………5
3.1硬件选择……………………………………………………………………6
3.2 参数的工程整定 …………………………………………………………9
3.3 前馈—反馈控制系统整定 ………………………………………………12
4.MATLAB 系统仿真 …………………………………………………………16
4.1 matlab 的简介 …………………………………………………………16
4.2simulink 控制系统仿真……………………………………………………16
5 课程设计总结……………………………………………………………………19
6 参考文献…………………………………………………………………………19
1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述
1.1概述 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点) 组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点) 组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
精馏原理 (Principle of Rectify)
蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝, 利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。
1.2 前馈-反馈控制系统
反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。
前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。
因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。
2 精馏概述
2.1精馏原理以及工业流程
精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
图1.1连续精馏装置工艺流程图
2.2精馏塔的特性
精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。
一．精馏塔的静态特性
一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。
图6.1-1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：
总物料平衡 F =D +B （2.2-1）
轻组分平衡 F ⋅z f =D ⋅x D +B ⋅x B （2.2-2）
由式（2.2-1）和（2.2-2）联立可得： x D =F (z f -x B ) +x B D D x D -z f =
F x D -x B （2.2-3）
式中 F 、D 、B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；
z f 、x D 、x B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 从上述关系可看出：当D F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即x D 、x B 下降。而当B F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即x D 、x B 上升。 z 然而，在D F （或B F ）一定，且f 一定的条件下并不能完全确定x D 、x B 的数值，只能
确定x D 与x B 之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定x D 与x B 两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。
在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s 可用下式表示： s =
x D (1-x B ) x B (1-x D ) （2.2-4） 从上式可见：随着分离度s 的增大，而x B 减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s 的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V 和进料量F 的比值等。对于一个既定的塔来说： V s ≈f () F （2.2-5）
式（2.2-5）的函数关系也可用一近似式表示： x D (1-x B ) V =βIn x B (1-x D ) （2.2-6） F
式中β为塔的特性因子。
由式（2.2-6）、（2.2-7）可以看出，随着V F 增加，s 值提高。也就是x D 增加，x B 下降，分离效果提高了。由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：V F 的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。
对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D /F 和V F 一定，这个它的分离结果，即x D 与x B 将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比R =D 一定，就确定了分离结果是一致的。 精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。
二． 精馏塔的动态特性
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。下面以二元精馏塔第j 块塔板为例说明如何建立单板动态方程。
总物料平衡： L j +1-L j +V j -1-V j =dM j
dt （2.2-7）
轻组分平衡： L j +1x j +1-L j x j +V j -1y j -1-V j y j =d [M j x j ]
dt （2.2-8）
式中:L 表示回流量，下标指回流液来自哪块板；
V 表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；
M 指液相的蓄存量；
x 、y 分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。
由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
3. 控制系统设计
精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈—反馈控制系统。从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。
图 1 精馏塔前馈-反馈控制系统工艺图
图3是该控制系统框图。图中，Gy 是乘法器，即壁纸控制系统中的比值函数环节；Gff 是前馈控制器，即是提馏段温度控制器；Gc2是副控制器，即再沸器加热蒸汽流量控制器。
图 2 前馈-反馈控制系统框图
3.1硬件选择
一、控制器的选择
以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当炉温低于设定温度时，启动加热控制部件，使炉温升高，以满足现场要求．当炉温高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．
1.A/D转换器的选择
ADS774是BRR-BROWN(BB)公司设计生产的主次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入：0～+10V，0～+20V，-5～+5V和-10～+10V,12位或8位可选输出，单一+5V供电。
它采用低功耗COMS 工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功率最大为120mv ，转换时间为t ≤8.5 S 。
ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式。
二、执行器的选择
1. 调节阀工作区间的选择：正常工况下要求调节阀的开度在15﹪-85﹪之间。
2. 调节阀的流量特性选择：
根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，应选用等百分比流量特性或抛物线流量特性。
3. 调节阀的气开、气关作用方式选择：
气开阀即随着控制信号的增加而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态。
由于设计要求当物料进入精馏塔的时候，有一定的温度，当物料流量加大时，蒸汽流量势必增加，所以阀门控制选择气开式。而当物料流量增加时，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制势必会控制这个流量大小，所以控制器选择反作用，调节器应选择正作用。
控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
三、检测变送器的选择
1. 温度检测器
热电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500°C 以上的高温，可以在1600°C 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，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
2. 温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与控制器等其他仪表配合工作。
图1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
图3 温度变送器原理框图
MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200～1300℃的温度信号转换为标准4～20mA 电流信号实现对温度精确测量与控制。 MAT-TT 系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。
仪表主要特点：
温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。
技术指标：
(1)基本误差：±1.0%、±0.5%、±0.25% 二线制输出、无需补偿导线。
(2)输出信号：4～20mA 抗干扰能力强、远传性能好。
(3)负载电阻：250Ω允许范围为0～500Ω 结构简单、合理安装方便。
(4)供电电源：24V DC 允许范围为18～30VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长。
(5)温度漂移：≤0.015%/℃ 三线制、二线制输入方法通用。
(6)环境温度：-25～60℃、相对湿度：≤95% 液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差。
3. 流量变送器
流量变送器采用LWQ 型气体涡轮流量变送器。它吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计，综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表，具有出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻烃气等气体的计量。该类涡轮流量产品本身不具备现场显示功能，仅将流量信号以电流信号（4-20mA ）的方式远传输出。仪表价格低廉，集成度高，体积小巧，特别适用于与二次显示仪、PLC 、DCS 等计算机控制系统配合使用。且该类涡轮流量计具有防爆功能。
四、控制规律的选择
在控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主控制器应选PID 控制规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副控制器选择P 控制规律。
五、前馈—反馈控制系统的控制过程分析
图2所示为精馏塔提馏段温度为主控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料流量为前馈信号组成的相乘型前馈-反馈控制系统。图中，FC 是加热蒸汽流量控制器；TY 是乘法器；TC 是提馏段温度控制器；FY 是前馈控制器。从前馈原理角度看，进料量是扰动变量，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。
3.2 参数的工程整定
一、Kf 型前馈控制器
这种模型具有比例特性，实施起来比较容易，用比例控制或比值器等常规仪表就可以实现。Kf 可通过现场进行整定。当控制管道的时间常数与干扰通道的时间常数近似相等时，采用这种静态前馈控制，其控制质量将有很大的改善。
二、工程整定
静态参数Kf 是前馈控制模型中最基本的参数，它对前馈控制系统中的运行状态影响很大，首先应将整定好。整定方法主要有开环整定和闭环整定。
1. 开环整定
就是在系统中做单纯的静态前馈运行下加干扰，Kf 值由小到大，直到被控量回到设定值。此时，所对应的Kf 更视为最佳整定值。在进行整定会有较大的误差。另外，由于系统中是处于单纯的前馈运行状态，在整定过程中，被控量失去反馈控制。为了避免Kf 过大而导致被控量产生太大的影响甚至发生生产事故，所以Kf 由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的
正常进行，所以实际中应用越来越少。
2. 闭环整定
可以让系统处于前馈反馈运行状态整定Kf ，也可以让系统处于反馈运行的状态对Kf 进行整定。需要指出的是，使用这种方法整定时，反馈控制器应有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控量的静态误差。同时也要求工况稳定，尽量减少其他干扰的影响。
3、PID 参数整定
1）PID 参数的选取
如果PID 参数不合适，PID 的调节结果可能比二位式调节的结果还差，例如产生幅度很大的连续振荡，产生长时期不能消除的静差，或者是在系统受扰动后不能尽快复原等，因此，根据被控对象的工况选取合适的PID 参数，是用好PID 调节仪表的关键。在大多数场合，选择P=5%，I=210秒，D=30秒，就能达到较理想的调节效果。
根据比例带XP1和振荡周期T ，查上表后计算出合适的比例带、积分时间、微分时间三个参数的具体数值，再安仪表的设置步骤键入PID 参数并稍作微调即可。
概括的说，比例带P 设置的数值越大，系统越不会发生振荡，静差也越大；积分时间I 设置的数值越大，积分的作用越不明显，消除静差所需的时间也越长，系统越不会发生振荡；微分时间D 设置的数值越小，对比例带和积分的作用力越小，系统不会发生振荡，但系统的响应速度也变得迟钝。积分的作用是使系统趋向稳定，而微分的作用是抑制超调，但会使系统趋向不稳定，微分与积分配合的当，就可获得尽快而稳定的调节过程。
在精馏塔前馈-反馈控制系统中，设定值为X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为
G (S ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (S ) G c (s ) G v (s ) G o (S ) f b Y (s ) =X (s ) +F (s ) 3-1 1+G o (s ) G v (s ) G o (s 01+G c (s ) G v (s ) G o (s )
要前馈补偿实现对Y(s)的完全补偿，上式的第二项应当为零，即
G (s ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (s ) f b =0 3-2 1+G c (s ) G v (s ) G o (s )
即
G (s ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (s ) =0 3-3 f b
从而可得
G (s ) f G (s ) = 3-4 b G o (s ) G v (s ) G m (s )
由3-1可知，由于反馈的存在，是干扰F(s)对输出的影响要比开环前馈控制的情况下小
[1+G c (s ) G v (s ) G o (s ) ]倍。在系统的通频带内，控制通道往往有很大的放大倍数，即 1+G c (s ) G v (s ) G o (s ) 》1 3-5
3-5表明，本来经过开环补偿后，干扰F(s)对被控参数的影响很小，在经过反馈控制进一步减小1+G c (s ) G v (s ) G m (s ) 倍，这充分体现了前馈反馈的优越性。
3.2.1 前馈—反馈的模型分析
按照不变性的条件，球的前馈反馈的传递函数的表达式，即
G b (s ) =-G f (s )
G b (s ) G v (s ) G m (s )
实际上，要得到干扰通道特性G f (s ) 、控制通道G o (s ) 的精确数学模型非常困难，往往无法通过计算球的准确的请按亏反馈模型。实践证明，相当数量的工业工程都具有阻尼特性，因此，常常将被控过程的控制通道和抗扰动通道用一介和二阶的容量滞后模型来近似，必要的时候串联一个纯滞后环节，这样就为前馈控制器的模型具有了通用性创造了条件。假定控制通道特性为
G o (s ) =K o -τo s e T o s +1
干扰通道特性为
G f =K f
T f s +1e -τf s
则前馈控制器的模型课归结为如下形式
K f
G f (s ) T f s +1K f T o s +1e -τf s T 1s +1-τs G b (s ) =-==-=-K b e -t o s K o G o (s ) K o T f +1e T 2s +1e -τo s
T o s +1
式中K b 静态前馈系数。K b =K f K o e -τs s ；T 1=T o ，T 2=T f ，分别为控制通道与干扰通道的
时间常数， τ为干扰通道与控制通道纯滞后的时间差，τ=τf -τo 。
当τf =τo 时，上式写为
G b (s ) =-K b T 1+1 T 2+1
若T 1=T 2=T o =T f 则可改写为
G b (s ) =-K b
由此可见，常用前馈控制有K b ，K b 3.3 前馈—反馈控制系统整定
前馈反馈控制系统的头动方式有两种。其一，前馈和反馈分别投运，整定后在组合起来；其二，将反馈部分先投运，待整定后，再逐渐加入前馈作用。
在整定前馈反馈控制系统时，反馈回路的前馈控制部分要分别整定。也就是说，当整定反馈回路时，只考虑闭合回路具有适当的稳定余量，而不考虑前馈部分：当整定前馈装置时，不考虑反馈控制引起的稳定性问题。对于具体的整定方法，现已常用的前馈装置K b
例，介绍如何确定静态参数K b ，动态参数T 1和T 2。
3.3.1 K b 的整定
静态参数K b 是前馈模型中最基本的参数，它对前馈控制系统的运行状态影响很大，首先应该将它定好。主要方法有开环和闭环整定。
1）开环整定
所谓开环整定作单纯的静态前馈运行下施加干扰，K b 值由小逐渐增大时，直到被控量回到设定值，此时，所对应的K b 更视为最佳整定值。在进行整定时，应力求工矿稳定，以减小其他扰动对被控量的影响，否则，K b 值有较大误差。另外，由于系统处于单纯前馈控制状态，在整定过程中被控量推动反馈控制。为了避免由于K b 过大而导致被控时产生太大偏差、影响产生甚至发生事故，因此K b 值应由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的正常进行，因而在实际生产过程中应用月俩越少。
2）闭环整定
社待定的系统原理框图如图。可以让系统处于前馈—反馈运行状态整定K b ，也可以让系统处于反馈运行状态对K b 值整定。
①前馈—反馈运行状态整定K b
T 1s +1T +1-τs ，K b 1e T 2+2T 2+2T 1s +1为T 2+2
闭合图中开关K ，使系统处于前馈—反馈运行状态。在反馈控制已整定好的基础上，施加相同的干扰作用，由小到大的逐步改变K b 值，知道获得满意的补偿过程。K b 值对补偿的影响如图4所示，图中（b ）曲线为K b 值刚好适当。如此时的K b 值较小，将照成欠补偿所示，如图（a ）, 所示，若K b 值过大则造成过补偿，如图
c
图 4 K b 闭环整定系统框图
a b c
②反馈运行状态整定K b
打开图中的开关K ，使系统处于反馈运行状态。待系统稳定后，记下干扰变送器的输出电流Id0和反馈控制器的输出稳定值Ic0。然后，对干扰 d施加加一增量△d ，待反馈终止系统在△d 的作用下，被控变量重新回到设定值时，重新记下干扰变送器的输出Id 及反馈控制器的输出Ic ，则前馈控制器的静态放大系数Kb 为： K b =I c -I c 0 I d -I d 0
式中的物理含义十分的明显。当干扰量为△d 时，由反馈控制器产生的矫校正作用改变了（Ic-Ic0），才能使被控量回到设定值，如果前馈控制器来校正，那么Kb 值也必须满足这一
关系式。
需指出的是，在使用这种方法整定Kb 时，反馈控制器应具有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控时量的静差。同时，要求工况稳定，尽量减少其他干扰的影响。
3.3.2 T1，T2的整定
动态参数决定了动态补偿程度，当T1﹥T2时，前馈控制在动态补偿过程中起超前作用，当T1﹤T2时，起之后作用；当T1=T2的时候只有静态前馈作用。因此，常将T1为超前时间，T2称为滞后时间。根据校正作用在世超前或滞后，便可以决定T1、T2的数值。当T1过大时，由于过补偿而使过渡过程曲线反向超调过高，因此从生产安全的角度出发，前馈控制器的动态参数应从欠补偿开始，按照过渡过程曲线变化的趋势，逐渐试凑逼近。也可以在初次实验时，去T1/T2=2或T1/T2=0.5的数值进行，施加干扰观察补偿过程，首先调整T1或T2，使过补偿曲线达到上、下偏差面积相等，然后再调整T1与T2的比值，直到获得平坦的补偿过度曲线。
3.3.3 调节器参数整定方法
1）稳定边界法
其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动与运行并将比例带由大到小的改变，直到系统产生等振幅震荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带δK 以及振荡周期T K ，然后根据经验公式算出比例调节的各个参数。
2）衰减曲线法
衰减曲线法是利用比例作用下产生的4：1衰减振荡（ψ=0. 75）过程时的调节器比例带δs 及过程衰减周期T s ，或（10：1）衰减振荡过程时调节器比例带δs 及过程上升时间T s ，根据经验公式计算出调节器的各个参数。
3）响应曲线法
响应曲线法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动实验，根据记录下的节约响应曲线求取一组特征参数ε、β、τ（有自平衡能力的对象），再根据经验公式计算调节器的各个参数。
4）经验法
通过长期实践，人们总结了一套参数整定经验，称之为经验法。经验法可以说是根据
经验进行参数试凑得方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过程过度过程不令人满意，则修改调节器参数，再做阶跃扰动实验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。
3.3.4本次设计中调节器参数整定及结果
本次设计中，在进行参数调节整定时，选用了经验法。
首先取K p =1、K i =0. 001、K d =0. 01，再经过matlab 运行仿真，观察输出结果，再通过结果进行不段分析，调整调节器参数，再进行新的仿真和观察，用试凑发反复进行调节，最终得到较好的调节器参数如下：
K p =6 K i =0. 001 K d =0. 05
4.MATLAB 系统仿真
4.1 matlab的简介
Matlab 是一种面向科学与工程的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理于一体，具有极高的编程效率。Matlab 是一个高度集成的系统，matlab 提供的simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或两者的混合时间域进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统。在过去几年里，simulink 已成为教学和工业应用中对动态系统进行建模最广泛的实用工具。
4.2simulink 控制系统仿真
如前所述，前馈—反馈系统仿真主要包括：系统辨识、控制系统整定和系统仿真等内容。其中控制系统所整定包括前馈系统整定和反馈控制系统整定两部分。本设计采用前馈、反馈分别整定法。
由题意知对象干扰通道传递函数为：
G f (s ) G o (s ) =15e -8s (8s +1)(10s +1)
传递函数为：
G 01(s ) G 02(s ) =6e -10s (5s +1)(10s +1)
所以静态前馈控制器系数为：
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K d =G f (s ) G 02(s )
G 01(s ) G 02(s ) =-lim s →015e -8s (8s +1)(10s +1) =-2. 56e -10s
(5s +1)(10s +1)
在matlab 中的仿真框图和仿真结果：
图5 反馈实验连接
图6 反馈仿真曲线图
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图7 前馈-反馈实验连接图
图8 仿真曲线图
5 课程设计总结
从选择题目开始，先对一些知识进行复习，再查资料，再进行设计，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。在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次设计。
我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。
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
17
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，了解了工业中控制系统起到的重要作用。
6 参考文献
[1]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社
[2]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社
[3]《工业过程控制工程》
[4]《控制仪表及装置》
[5]《过程控制仪表》
[6]《过程装备成套技术设计指南工程》
[7]《过程控制装置》
[8]《化工单元过程及设备课程设计》
[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）
[10]《工业过程检测与控制》
王树青 吴勤勤 徐春山 黄振仁 张永德 匡国柱 朱有庭 孟华 18 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 冶金工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社
中北大学
课 程 设 计 说 明
学生姓名： 曾一峰 学 号：学 院： 机械工程与自动化学院
专 业： 过程装备与控制工程
题 目： 精馏塔提馏段温度前馈
指导教师： 刘广璞 职称: 副教授
刘波 职称: 副教授
崔宝珍 职称: 副教授
职称2013年1月18日 书
中北大学
课程设计任务书
学年第学期
学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 曾一峰 学 号： 0802034144
课程设计题目： 起 迄 日 期： 2013 年 1月7 日～2013 年 1月 18日
课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 刘广璞、刘波、崔宝、高强
系 主 任： 姚竹亭
下达任务书日期: 2013年1月7日
课 程 设 计 任 务 书
目录
1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述…………………………………………1
1.1概述…………………………………………………………………………1
1.2 前馈-反馈控制系统 ………………………………………………………1
2 精馏概述…………………………………………………………………………2
2.1精馏原理以及工业流程……………………………………………………2
2.2精馏塔的特性………………………………………………………………2
3. 控制系统设计… …………………………………………………………………5
3.1硬件选择……………………………………………………………………6
3.2 参数的工程整定 …………………………………………………………9
3.3 前馈—反馈控制系统整定 ………………………………………………12
4.MATLAB 系统仿真 …………………………………………………………16
4.1 matlab 的简介 …………………………………………………………16
4.2simulink 控制系统仿真……………………………………………………16
5 课程设计总结……………………………………………………………………19
6 参考文献…………………………………………………………………………19
1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述
1.1概述 精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸气由塔底进入。蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点) 组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点) 组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
精馏原理 (Principle of Rectify)
蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝, 利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 本节以两组分的混合物系为研究对象，在分析简单蒸馏的基础上，通过比较和引申，讲解精馏的操作原理及其实现的方法，从而理解和掌握精馏与简单蒸馏的区别（包括：原理、操作、结果等方面）。
1.2 前馈-反馈控制系统
反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，调节不及时。如果采用某种控制策略，使该控制运算的输出是扰动的函数，则一旦出现扰动，控制系统就有输出，就能在偏差还未出现以前把扰动的影响消除，因此，调节及时。依据预防的控制策略设计的控制系统称为前馈控制系统。
前馈控制系统根据扰动进行调节；采用开环控制方式；控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量；只能克服某个特定扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律，它与前馈广义对象特性和扰动通道特性有关，因此，只能近似实现所需控制规律，要实现绝对不变性较困难。前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果合适设计控制规律，可大大消弱扰动对被控变量的影响。
因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈-控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调节量实行反馈检验的长处。所以前馈-反馈控制是适合于过程控制的较好的方式。
2 精馏概述
2.1精馏原理以及工业流程
精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。
图1.1连续精馏装置工艺流程图
2.2精馏塔的特性
精馏塔的特性分为静态特性和动态特性，以二元简单精馏过程为例，说明精馏塔的基本关系。
一．精馏塔的静态特性
一个精馏塔，进料与出料应保持物料平衡，即总物料量以及任一组分都符合物料平衡关系。
图6.1-1所示的精馏过程，其物料平衡关系为：
总物料平衡 F =D +B （2.2-1）
轻组分平衡 F ⋅z f =D ⋅x D +B ⋅x B （2.2-2）
由式（2.2-1）和（2.2-2）联立可得： x D =F (z f -x B ) +x B D D x D -z f =
F x D -x B （2.2-3）
式中 F 、D 、B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液流量；
z f 、x D 、x B ——分别为进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 从上述关系可看出：当D F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量减少，即x D 、x B 下降。而当B F 增加时将引起顶、底馏出液中轻组分含量增加。即x D 、x B 上升。 z 然而，在D F （或B F ）一定，且f 一定的条件下并不能完全确定x D 、x B 的数值，只能
确定x D 与x B 之间的比例关系，也就是一个方程只能确定一个未知数。要确定x D 与x B 两个因数，必须建立另一个关系式：能量平衡关系。
在建立能量平衡关系时，首先要了解一个分离度的概念。所谓分离度s 可用下式表示： s =
x D (1-x B ) x B (1-x D ) （2.2-4） 从上式可见：随着分离度s 的增大，而x B 减小，说明塔系统的分离效果增大。影响分离度s 的因素很多，诸如平均挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置以及塔内上升蒸汽量V 和进料量F 的比值等。对于一个既定的塔来说： V s ≈f () F （2.2-5）
式（2.2-5）的函数关系也可用一近似式表示： x D (1-x B ) V =βIn x B (1-x D ) （2.2-6） F
式中β为塔的特性因子。
由式（2.2-6）、（2.2-7）可以看出，随着V F 增加，s 值提高。也就是x D 增加，x B 下降，分离效果提高了。由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。而且由上述分析可见：V F 的增大，塔的分离效果提高，能耗也将增加。
对于一个既定的塔，包括进料组分一定，只要D /F 和V F 一定，这个它的分离结果，即x D 与x B 将被完成确定。也就是说，由一个塔的物料平衡关系与能量平衡关系两个方程式，可以确定塔顶和塔底组分两个待定因数。 上述结论与一般工艺书中所说保持回流比R =D 一定，就确定了分离结果是一致的。 精馏塔的各种扰动因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响塔的操作。因此，弄清精馏塔中的物料平衡和能量平衡关系，为确定合理的控制方案奠定了基础。
二． 精馏塔的动态特性
精馏塔是一个多变量、时变、非线性对象。对其动态特性的研究，人们已经做了不少工作。要建立整塔的动态方程，首先要对精馏塔的各部分：精馏段、提留段各塔板，进料板，塔顶冷凝器，回流罐，塔釜、再沸器等分别建立各自得动态方程。下面以二元精馏塔第j 块塔板为例说明如何建立单板动态方程。
总物料平衡： L j +1-L j +V j -1-V j =dM j
dt （2.2-7）
轻组分平衡： L j +1x j +1-L j x j +V j -1y j -1-V j y j =d [M j x j ]
dt （2.2-8）
式中:L 表示回流量，下标指回流液来自哪块板；
V 表示上升蒸汽量，下标指来自哪一块板的上升蒸汽；
M 指液相的蓄存量；
x 、y 分别指液相和气相中轻组分的含量，同样下标指回流液及上升蒸汽来自哪块塔板。
由于各部分的动态方程。可整理得到整塔的动态方程组。对于整个精馏塔来说是一个多容量的，相互交叉连接的复杂过程，要整理出整塔的传递函数是相当复杂的。
3. 控制系统设计
精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈—反馈控制系统。从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。
图 1 精馏塔前馈-反馈控制系统工艺图
图3是该控制系统框图。图中，Gy 是乘法器，即壁纸控制系统中的比值函数环节；Gff 是前馈控制器，即是提馏段温度控制器；Gc2是副控制器，即再沸器加热蒸汽流量控制器。
图 2 前馈-反馈控制系统框图
3.1硬件选择
一、控制器的选择
以单片机89C51为控制器，将温度传感器得到的微弱电信号，经仪表放大器放大后，送入转换器，转化结束后，89C51读取转换结果，当炉温低于设定温度时，启动加热控制部件，使炉温升高，以满足现场要求．当炉温高于设定温度时，实时地切断加热源．采用单片机来对炉温实时控制不仅具有控制方便简单和灵活性大的特点，而且提高了炉温控制精度的技术要求，从而大大提高了产品的质量．
1.A/D转换器的选择
ADS774是BRR-BROWN(BB)公司设计生产的主次逼近式模数转换器，4种可选电压范围输入：0～+10V，0～+20V，-5～+5V和-10～+10V,12位或8位可选输出，单一+5V供电。
它采用低功耗COMS 工艺和新的电容阵列技术，包含有内部时钟、微处理器接口、三态输出缓冲器以及若干组内部可调阻抗，功率最大为120mv ，转换时间为t ≤8.5 S 。
ADS774可以在2种模式下工作：一种是工作过程由微处理器控制，即所谓非独立方式；一种是独立运行工作模式。
二、执行器的选择
1. 调节阀工作区间的选择：正常工况下要求调节阀的开度在15﹪-85﹪之间。
2. 调节阀的流量特性选择：
根据生产过程的工艺参数和对控制系统的工艺要求，应选用等百分比流量特性或抛物线流量特性。
3. 调节阀的气开、气关作用方式选择：
气开阀即随着控制信号的增加而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态。
由于设计要求当物料进入精馏塔的时候，有一定的温度，当物料流量加大时，蒸汽流量势必增加，所以阀门控制选择气开式。而当物料流量增加时，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制势必会控制这个流量大小，所以控制器选择反作用，调节器应选择正作用。
控制阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动控制阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动控制阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动控制阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
三、检测变送器的选择
1. 温度检测器
热电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500°C 以上的高温，可以在1600°C 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，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
2. 温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与控制器等其他仪表配合工作。
图1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
图3 温度变送器原理框图
MAT-TT系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把-200～1300℃的温度信号转换为标准4～20mA 电流信号实现对温度精确测量与控制。 MAT-TT 系列温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。
仪表主要特点：
温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。
技术指标：
(1)基本误差：±1.0%、±0.5%、±0.25% 二线制输出、无需补偿导线。
(2)输出信号：4～20mA 抗干扰能力强、远传性能好。
(3)负载电阻：250Ω允许范围为0～500Ω 结构简单、合理安装方便。
(4)供电电源：24V DC 允许范围为18～30VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长。
(5)温度漂移：≤0.015%/℃ 三线制、二线制输入方法通用。
(6)环境温度：-25～60℃、相对湿度：≤95% 液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差。
3. 流量变送器
流量变送器采用LWQ 型气体涡轮流量变送器。它吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计，综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表，具有出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻烃气等气体的计量。该类涡轮流量产品本身不具备现场显示功能，仅将流量信号以电流信号（4-20mA ）的方式远传输出。仪表价格低廉，集成度高，体积小巧，特别适用于与二次显示仪、PLC 、DCS 等计算机控制系统配合使用。且该类涡轮流量计具有防爆功能。
四、控制规律的选择
在控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主控制器应选PID 控制规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副控制器选择P 控制规律。
五、前馈—反馈控制系统的控制过程分析
图2所示为精馏塔提馏段温度为主控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料流量为前馈信号组成的相乘型前馈-反馈控制系统。图中，FC 是加热蒸汽流量控制器；TY 是乘法器；TC 是提馏段温度控制器；FY 是前馈控制器。从前馈原理角度看，进料量是扰动变量，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。
3.2 参数的工程整定
一、Kf 型前馈控制器
这种模型具有比例特性，实施起来比较容易，用比例控制或比值器等常规仪表就可以实现。Kf 可通过现场进行整定。当控制管道的时间常数与干扰通道的时间常数近似相等时，采用这种静态前馈控制，其控制质量将有很大的改善。
二、工程整定
静态参数Kf 是前馈控制模型中最基本的参数，它对前馈控制系统中的运行状态影响很大，首先应将整定好。整定方法主要有开环整定和闭环整定。
1. 开环整定
就是在系统中做单纯的静态前馈运行下加干扰，Kf 值由小到大，直到被控量回到设定值。此时，所对应的Kf 更视为最佳整定值。在进行整定会有较大的误差。另外，由于系统中是处于单纯的前馈运行状态，在整定过程中，被控量失去反馈控制。为了避免Kf 过大而导致被控量产生太大的影响甚至发生生产事故，所以Kf 由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的
正常进行，所以实际中应用越来越少。
2. 闭环整定
可以让系统处于前馈反馈运行状态整定Kf ，也可以让系统处于反馈运行的状态对Kf 进行整定。需要指出的是，使用这种方法整定时，反馈控制器应有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控量的静态误差。同时也要求工况稳定，尽量减少其他干扰的影响。
3、PID 参数整定
1）PID 参数的选取
如果PID 参数不合适，PID 的调节结果可能比二位式调节的结果还差，例如产生幅度很大的连续振荡，产生长时期不能消除的静差，或者是在系统受扰动后不能尽快复原等，因此，根据被控对象的工况选取合适的PID 参数，是用好PID 调节仪表的关键。在大多数场合，选择P=5%，I=210秒，D=30秒，就能达到较理想的调节效果。
根据比例带XP1和振荡周期T ，查上表后计算出合适的比例带、积分时间、微分时间三个参数的具体数值，再安仪表的设置步骤键入PID 参数并稍作微调即可。
概括的说，比例带P 设置的数值越大，系统越不会发生振荡，静差也越大；积分时间I 设置的数值越大，积分的作用越不明显，消除静差所需的时间也越长，系统越不会发生振荡；微分时间D 设置的数值越小，对比例带和积分的作用力越小，系统不会发生振荡，但系统的响应速度也变得迟钝。积分的作用是使系统趋向稳定，而微分的作用是抑制超调，但会使系统趋向不稳定，微分与积分配合的当，就可获得尽快而稳定的调节过程。
在精馏塔前馈-反馈控制系统中，设定值为X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为
G (S ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (S ) G c (s ) G v (s ) G o (S ) f b Y (s ) =X (s ) +F (s ) 3-1 1+G o (s ) G v (s ) G o (s 01+G c (s ) G v (s ) G o (s )
要前馈补偿实现对Y(s)的完全补偿，上式的第二项应当为零，即
G (s ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (s ) f b =0 3-2 1+G c (s ) G v (s ) G o (s )
即
G (s ) +G o (s ) G v (s ) G (s ) G m (s ) =0 3-3 f b
从而可得
G (s ) f G (s ) = 3-4 b G o (s ) G v (s ) G m (s )
由3-1可知，由于反馈的存在，是干扰F(s)对输出的影响要比开环前馈控制的情况下小
[1+G c (s ) G v (s ) G o (s ) ]倍。在系统的通频带内，控制通道往往有很大的放大倍数，即 1+G c (s ) G v (s ) G o (s ) 》1 3-5
3-5表明，本来经过开环补偿后，干扰F(s)对被控参数的影响很小，在经过反馈控制进一步减小1+G c (s ) G v (s ) G m (s ) 倍，这充分体现了前馈反馈的优越性。
3.2.1 前馈—反馈的模型分析
按照不变性的条件，球的前馈反馈的传递函数的表达式，即
G b (s ) =-G f (s )
G b (s ) G v (s ) G m (s )
实际上，要得到干扰通道特性G f (s ) 、控制通道G o (s ) 的精确数学模型非常困难，往往无法通过计算球的准确的请按亏反馈模型。实践证明，相当数量的工业工程都具有阻尼特性，因此，常常将被控过程的控制通道和抗扰动通道用一介和二阶的容量滞后模型来近似，必要的时候串联一个纯滞后环节，这样就为前馈控制器的模型具有了通用性创造了条件。假定控制通道特性为
G o (s ) =K o -τo s e T o s +1
干扰通道特性为
G f =K f
T f s +1e -τf s
则前馈控制器的模型课归结为如下形式
K f
G f (s ) T f s +1K f T o s +1e -τf s T 1s +1-τs G b (s ) =-==-=-K b e -t o s K o G o (s ) K o T f +1e T 2s +1e -τo s
T o s +1
式中K b 静态前馈系数。K b =K f K o e -τs s ；T 1=T o ，T 2=T f ，分别为控制通道与干扰通道的
时间常数， τ为干扰通道与控制通道纯滞后的时间差，τ=τf -τo 。
当τf =τo 时，上式写为
G b (s ) =-K b T 1+1 T 2+1
若T 1=T 2=T o =T f 则可改写为
G b (s ) =-K b
由此可见，常用前馈控制有K b ，K b 3.3 前馈—反馈控制系统整定
前馈反馈控制系统的头动方式有两种。其一，前馈和反馈分别投运，整定后在组合起来；其二，将反馈部分先投运，待整定后，再逐渐加入前馈作用。
在整定前馈反馈控制系统时，反馈回路的前馈控制部分要分别整定。也就是说，当整定反馈回路时，只考虑闭合回路具有适当的稳定余量，而不考虑前馈部分：当整定前馈装置时，不考虑反馈控制引起的稳定性问题。对于具体的整定方法，现已常用的前馈装置K b
例，介绍如何确定静态参数K b ，动态参数T 1和T 2。
3.3.1 K b 的整定
静态参数K b 是前馈模型中最基本的参数，它对前馈控制系统的运行状态影响很大，首先应该将它定好。主要方法有开环和闭环整定。
1）开环整定
所谓开环整定作单纯的静态前馈运行下施加干扰，K b 值由小逐渐增大时，直到被控量回到设定值，此时，所对应的K b 更视为最佳整定值。在进行整定时，应力求工矿稳定，以减小其他扰动对被控量的影响，否则，K b 值有较大误差。另外，由于系统处于单纯前馈控制状态，在整定过程中被控量推动反馈控制。为了避免由于K b 过大而导致被控时产生太大偏差、影响产生甚至发生事故，因此K b 值应由小逐步增大。由于这种方法容易影响生产的正常进行，因而在实际生产过程中应用月俩越少。
2）闭环整定
社待定的系统原理框图如图。可以让系统处于前馈—反馈运行状态整定K b ，也可以让系统处于反馈运行状态对K b 值整定。
①前馈—反馈运行状态整定K b
T 1s +1T +1-τs ，K b 1e T 2+2T 2+2T 1s +1为T 2+2
闭合图中开关K ，使系统处于前馈—反馈运行状态。在反馈控制已整定好的基础上，施加相同的干扰作用，由小到大的逐步改变K b 值，知道获得满意的补偿过程。K b 值对补偿的影响如图4所示，图中（b ）曲线为K b 值刚好适当。如此时的K b 值较小，将照成欠补偿所示，如图（a ）, 所示，若K b 值过大则造成过补偿，如图
c
图 4 K b 闭环整定系统框图
a b c
②反馈运行状态整定K b
打开图中的开关K ，使系统处于反馈运行状态。待系统稳定后，记下干扰变送器的输出电流Id0和反馈控制器的输出稳定值Ic0。然后，对干扰 d施加加一增量△d ，待反馈终止系统在△d 的作用下，被控变量重新回到设定值时，重新记下干扰变送器的输出Id 及反馈控制器的输出Ic ，则前馈控制器的静态放大系数Kb 为： K b =I c -I c 0 I d -I d 0
式中的物理含义十分的明显。当干扰量为△d 时，由反馈控制器产生的矫校正作用改变了（Ic-Ic0），才能使被控量回到设定值，如果前馈控制器来校正，那么Kb 值也必须满足这一
关系式。
需指出的是，在使用这种方法整定Kb 时，反馈控制器应具有积分作用。否则，在干扰作用下，无法消除被控时量的静差。同时，要求工况稳定，尽量减少其他干扰的影响。
3.3.2 T1，T2的整定
动态参数决定了动态补偿程度，当T1﹥T2时，前馈控制在动态补偿过程中起超前作用，当T1﹤T2时，起之后作用；当T1=T2的时候只有静态前馈作用。因此，常将T1为超前时间，T2称为滞后时间。根据校正作用在世超前或滞后，便可以决定T1、T2的数值。当T1过大时，由于过补偿而使过渡过程曲线反向超调过高，因此从生产安全的角度出发，前馈控制器的动态参数应从欠补偿开始，按照过渡过程曲线变化的趋势，逐渐试凑逼近。也可以在初次实验时，去T1/T2=2或T1/T2=0.5的数值进行，施加干扰观察补偿过程，首先调整T1或T2，使过补偿曲线达到上、下偏差面积相等，然后再调整T1与T2的比值，直到获得平坦的补偿过度曲线。
3.3.3 调节器参数整定方法
1）稳定边界法
其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动与运行并将比例带由大到小的改变，直到系统产生等振幅震荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带δK 以及振荡周期T K ，然后根据经验公式算出比例调节的各个参数。
2）衰减曲线法
衰减曲线法是利用比例作用下产生的4：1衰减振荡（ψ=0. 75）过程时的调节器比例带δs 及过程衰减周期T s ，或（10：1）衰减振荡过程时调节器比例带δs 及过程上升时间T s ，根据经验公式计算出调节器的各个参数。
3）响应曲线法
响应曲线法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动实验，根据记录下的节约响应曲线求取一组特征参数ε、β、τ（有自平衡能力的对象），再根据经验公式计算调节器的各个参数。
4）经验法
通过长期实践，人们总结了一套参数整定经验，称之为经验法。经验法可以说是根据
经验进行参数试凑得方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过程过度过程不令人满意，则修改调节器参数，再做阶跃扰动实验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。
3.3.4本次设计中调节器参数整定及结果
本次设计中，在进行参数调节整定时，选用了经验法。
首先取K p =1、K i =0. 001、K d =0. 01，再经过matlab 运行仿真，观察输出结果，再通过结果进行不段分析，调整调节器参数，再进行新的仿真和观察，用试凑发反复进行调节，最终得到较好的调节器参数如下：
K p =6 K i =0. 001 K d =0. 05
4.MATLAB 系统仿真
4.1 matlab的简介
Matlab 是一种面向科学与工程的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理于一体，具有极高的编程效率。Matlab 是一个高度集成的系统，matlab 提供的simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或两者的混合时间域进行建模，它同样支持具有多种采样速率的系统。在过去几年里，simulink 已成为教学和工业应用中对动态系统进行建模最广泛的实用工具。
4.2simulink 控制系统仿真
如前所述，前馈—反馈系统仿真主要包括：系统辨识、控制系统整定和系统仿真等内容。其中控制系统所整定包括前馈系统整定和反馈控制系统整定两部分。本设计采用前馈、反馈分别整定法。
由题意知对象干扰通道传递函数为：
G f (s ) G o (s ) =15e -8s (8s +1)(10s +1)
传递函数为：
G 01(s ) G 02(s ) =6e -10s (5s +1)(10s +1)
所以静态前馈控制器系数为：
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K d =G f (s ) G 02(s )
G 01(s ) G 02(s ) =-lim s →015e -8s (8s +1)(10s +1) =-2. 56e -10s
(5s +1)(10s +1)
在matlab 中的仿真框图和仿真结果：
图5 反馈实验连接
图6 反馈仿真曲线图
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图7 前馈-反馈实验连接图
图8 仿真曲线图
5 课程设计总结
从选择题目开始，先对一些知识进行复习，再查资料，再进行设计，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。在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次设计。
我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。
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
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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，了解了工业中控制系统起到的重要作用。
6 参考文献
[1]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社
[2]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社
[3]《工业过程控制工程》
[4]《控制仪表及装置》
[5]《过程控制仪表》
[6]《过程装备成套技术设计指南工程》
[7]《过程控制装置》
[8]《化工单元过程及设备课程设计》
[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）
[10]《工业过程检测与控制》
王树青 吴勤勤 徐春山 黄振仁 张永德 匡国柱 朱有庭 孟华 18 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 冶金工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社 主编 化学工业出版社