文档介绍：过程控制系统与仪表课程设计
目录
一、研究对象 3
二、研究任务 4
三、仿真研究要求.....................................................................................................................4
四、传递函数计算.....................................................................................................................5
五、控制方案 5
1. 单回路反馈控制系统 6
1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 6
2) PID参数整定 7
3) 系统仿真 8
4) 对象特性变化后仿真 12
2. Smith预估补偿控制系统 16
1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 17
2) 控制系统方框图 18
3) 系统仿真 21
3. 前馈-反馈控制系统
1) 控制方案的系统框图和工艺控制流程图 25
2) 系统仿真 27
3) 对象特性变化后仿真.............................................................................................30
六、控制性能比较 35
七、个人心得体会 35
一、研究对象
图1 精馏塔顶温度控制问题
某精馏塔的工艺流程如图1所示,现要求对精馏段灵敏板温度T进行有效的控制,以确保塔顶产品的质量。图1中,F 为进料量,它受上游流程控制,为精馏段灵敏板温度T的主要干扰之一,其它干扰包括进料组成与温度变化、塔底蒸汽量变化、塔顶回流冷凝后温度变化等;R 为塔顶冷回流量,拟作为精馏段温度T的控制手段,u为调节阀VR的相对输入信号(以DDZ III型为例,当输入电流为4 mA时,对应相对输入信号为0 %;当输入电流为20 mA时,对应相对输入信号为100 %),Pp 为泵出口压力,Pt 为精馏塔顶压力。Pp受塔顶产品调节阀VD开度的影响,变化范围较大;而精馏塔顶压力Pt的变化可基本忽略。图1中Tm、Rm、Fm分别为T、R、F的测量值。
为便于控制方案研究,假设如下:
该精馏塔的静态工作点为 T0 =120 ℃,F0 =50 T/hr(吨/小时),R0 =15 T/hr,Pp0 = MPa,Pt0 = MPa,u0 = 30 %,fV0 = 70 %。这里,fV为调节阀VR相对流通面积。
精馏段温度T的测量范围为0 ~ 200 ℃,进料量F的测量范围为0 ~ 100 T/hr,塔顶冷回流量R的测量范围为0 ~ 25 T/hr。T、R、F的测量值Tm、Rm、Fm均用%来表示,即Tm、Rm、Fm的最小值为0,最大值为100。
流量测量仪表的动态滞后忽略不计;而温度测量环节可用一阶环节来近似,温度测量环节的一阶时间常数,单位为分。
假设控制阀VR为线性阀,其动态滞后忽略不计,动态特性可表示为
。
对于塔顶冷回流对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为:
,
其中为控制阀VR相对流通面积的变化量,%;T2基本不变,这里设分;、K2、Kd2在一定范围内变化,这里设、K2、Kd2的变化范围分别为
分;(T/hr)/%; (T/hr)/MPa。
对于温度对象,假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为
;
;
其中对象特性参数均可能在以下范围内变化: ℃/(T/hr),分,分;℃/(T/hr),分,分。
二、研究任务
对于上述被控过程,假设被控变量T所受的主要扰动为进料量F与泵出口压力Pp的变化,而且变化范围为:T/hr,MPa;另外,被控变量T的设定范围为℃。试应用单回路、串级、前馈、Smith预估补偿、比值、选择等控制方法,设计至少2套控制系统,通过调节塔顶冷回流量达到控制精馏塔顶温度T的目的。
对于每一套控制方案,具体要求:
说明所采用的控制方案以及采用该方案的原因,并在工艺流程上表明该控制系统。
确定控制阀VR的气开、气关形式,确定所用控制器的正反作用方式,画出控制系统完整的方框图(需注明方框图各环节的输入输出信号),并选择合适的PID控制规律。
在SIMULINK仿真环境下,对所采用的控制系统进行仿真研究。具体步骤包括:
在对象特性参数的变化范围内,确定各环节对象的传递函数模型,并构造SIMULINK对象模型;
引入手动/自动切换环节,在手动状态下对控制通道、干扰通道分别进行阶跃响应试验,以获得“广义对象”开环阶跃响应曲线;
依据PID参数整