.課程設計任務書學生姓名： 專業班級： 自動化0602 指導教師： 工作單位： 武漢理工大學自動化學院 題 目: 精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統 初始條件：精餾塔液位與出料量輸出在一定范圍內緩慢均勻變化，使前后設備在物料供求上相互兼顧。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1）分析被控對象精餾塔特性，設計一種均勻控制系統，繪制系統的結構示意圖和原 理方框圖，說明其工作原理和工藝流程。2）系統調節過程，控制量和被控量的選擇3）系統各組成部分的選型與正反作用方式的確定。4）系統硬件電路與軟件設計5）控制器控制規律的實現以及參數整定6）論文用word打印，方框圖，流程圖，電路圖等均用protel99se、autocad、visio等軟件繪制。時間安排：2010年1月4日至2010年1月15日，具體進度安排見下表具體時間設計內容1月4日指導老師就課程設計內容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹。學生確定選題，明確設計要求1月5-9日開始查閱資料，完成方案的初步設計1月1114日由指導老師指導完成課設情況。學生修改、完善1月15日撰寫課程設計說明書，并進行答辯指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統的設計，通過均勻控制系統工作原理、工藝流程的分析設計，對該系統調節過程中控制量、被控量的選擇，系統各部分的組成和正反作用的確定以及控制器的控制規律與系統參數的整定討論，使之精餾塔液位與出料量輸出在一定范圍內均勻緩慢變化，前后設備在物料供求上相互兼顧。關鍵詞：精餾塔 雙沖量 均勻控制目錄1精餾塔原理12均勻控制系統12.1均勻控制概念12.2均勻控制特點32.3均勻控制系統的結構形式32.3.1簡單均勻控制系統32.3.2串級均勻控制系統42.3.3雙沖量均勻控制系統53設計原理54控制量與正反作用選擇64.1控制量與被控量選擇64.2正反作用選擇85參數整定96個人小結12參考文獻13.精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統1精餾塔原理精餾塔是進行精餾的一種塔式汽液接觸裝置，又稱為蒸餾塔。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據操作方式又可分為連續精餾塔與間歇精餾塔。蒸汽由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(低沸點)組分不斷地向蒸汽中轉移，蒸汽中的難揮發(高沸點)組分不斷地向下降液中轉移，蒸汽愈接近塔頂，其易揮發組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發組分則愈富集，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸汽進入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，熱蒸發后，蒸汽返回塔中，另一部分液體則作為釜殘液取出。蒸餾的基本原理是將液體混合物部分氣化,利用其中各組份揮發度不同（相對揮發度）的特性，實現分離目的的單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。2均勻控制系統2.1均勻控制概念均勻控制是指一種控制方案所起的作用而言，因為就方案的結構看，有時像一個簡單液位（或壓力）定值控制系統，有時又像一個液位與流量（或壓力與流量）的串級控制系統。所以要識別一些方案是否起均勻控制作用，或者在怎樣的情況下應該設計均勻控制方案，從本質上去認識他們是非常重要的。石油化工生產過程是一個連續生產過程，隨著生產的進一步強化，使得前后生產過程的關系更加緊密了，往往出現前一設備的出料直接作為后一設備的進料，而后者的出料又連續輸送給其他設備作進料。現以連續精餾的多塔分離過程為例，如圖1所示前后精餾塔供求關系。圖1 前后精餾塔的供求關系顯然作為單個精餾塔，都希望自身操作平衡。對于甲塔來說，塔釜液位往往是一個重要參數，因為它與塔釜的傳熱和汽化有較大關系（釜內有溢流用的隔板者除外），影響分離效果，為此裝有液位控制系統。當液位由于某種干擾而變化時，液位控制器就通過改變出料量來維持液位穩定。而甲塔出料的波動對乙塔來說是一個進料擾動，使乙塔的平衡操作受到破壞，這種影響一直會繼續下去，以至整個多塔系統的操作不能穩定。對乙塔來說，他從自身的平衡操作要求出發，希望進料穩定，會提出設置進料流量控制系統。顯然，這是與甲塔的液位控制系統的 工作是相互矛盾的，以致兩個系統都無法正常工作。為解決這一矛盾，以往靠增加緩沖罐的辦法來解決。通過緩沖物料累積量的變化，以達到兩塔操作平穩。但這要增加設備投資和擴大裝置占地面積，并且有些化工中間產品經緩沖罐后有可能產生其他化學反應，因此也不是一種理想的辦法。現在從控制方案上去尋找出路，這要著眼于物料平衡控制，讓供求矛盾限制在一定條件下進行漸變，以滿足前后兩塔的不同要求。對這個例子來說，就是要將前塔塔釜看成一個緩沖罐，利用控制系統充分發揮它的緩沖作用。也就是說，在進料量（前塔）變化時，讓塔釜液位在最大允許的限度內平緩變化，從而使輸出流量的到平緩（平穩緩變）。因為：要起緩沖作用，就要借助于的變化。例如，變化2，可以調節使h變化1，q出變化1，這樣來發揮貯罐的緩沖作用。由此可見，后塔的進料平緩變化是以前塔液位的波動為代價的。這種能充分發揮貯罐緩沖作用的控制系統，被稱為均勻控制。因此，均勻控制不是指控制系統的結構，而是指控制目的而言。是為了使前后設備（或容器）在物料供求上達到相互協調，統籌兼顧。2.2均勻控制系統特點均勻控制的特點有如下三條：(1)表征前后供求關系的兩個參數是矛盾的；(2)兩個參數應該是緩慢變化的；(3)兩個參數只能在允許的范圍內波動。如圖2所示是反映液位與流量的幾種不同變化情況。（a）是單純的液位定值控制；（b）是單純的流量定值控制；（c）是實現均勻控制以后，液位與流量都漸變的波動情況，但波動比較緩慢。圖2 液位與流量幾種不同變化情況2.3均勻控制系統的結構形式2.3.1簡單均勻控制系統如圖3所示為精餾塔塔底液位與出料流量的均勻控制系統。從方案外表上看，他像一個單回路液位定值控制系統，并且確實常被誤解。所不同的主要在于控制器的控制規律選擇及參數整定問題上。在所有均勻控制系統中都不需要，也不應該加正微分作用，恰恰相反有時需要加反微分作用，一般采用純比例控制，有時可用比例積分控制作用。而且在參數整定上，一般比例度要大于100%，且積分時間也要放的相當大，這樣才能滿足均勻控制要求。該方案結構簡單，但他對于克服閥前后壓力變化的影響及液位貯罐自衡作用的影響效果較差。簡單均勻控制系統適用于：進料量為主干擾，流量波動大，自衡能力弱的對象。（自衡能力弱指：當流量變化很激烈，而液位變化很小）圖3 簡單均勻控制系統2.3.2串級均勻控制系統如圖4所示是蒸餾塔塔底液位與采出流量的串級均勻控制，從外貌看與典型的串級控制系統完全一樣，但他的目的是實現均勻控制，增加一個副環流量控制系統的目的是為了消除閥前后壓力干擾及自衡作用對流量的影響。因此副環與串級控制中的副環一樣，副控制器參數整定的要求與前面所討論的串級控制對副環的要求相同。而主控制器（即液位控制器）則與簡單均勻控制的情況作相同處理。圖4 串級均勻控制系統其工作過程如下：當甲塔液位上升，導致液位調節器輸出增大，流量調節器輸出增大，控制閥門緩慢增大；反映在工藝參數上，液位不是立即快速下降 ，而是繼續緩慢上升，乙塔的進料量也緩慢增加。液位與流量均緩慢地變化，實現了均勻協調的控制目的；當乙塔的進料量增大，首先通過流量調節器使控制閥門開度緩慢減小；當這一作用使甲塔的液位下降時，液位調節器輸出減小，進一步緩慢改變調節閥的開度，使系統工作在新的平衡點。主副控制器一般采用比例或比例積分控制律。主控制器的參數整定與簡單均勻控制系統相同，副控制器的參數整定一般為=100200% ，ti為0.11分鐘。2.3.3雙沖量均勻控制系統雙沖量均勻控制系統就是將兩個變量的測量信號通過加法器后作為被控量的控制系統。 將在下面詳細討論。3設計原理精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統如下圖5所示：圖5 雙沖量均勻控制系統原理圖雙沖量均勻控制系統是串級均勻控制系統的變形，它用一個加法器來代替串級控制系統中的主調節器，把液位與流量的兩個測量信號通過加法運算后作為調節器的測量值。如圖5所示，以塔釜液位與輸出流量信號之差為被控參數，通過均勻控制使兩者能均勻緩慢變化。假定該系統采用qdz儀表構成，剛加法的輸出式中：加法器的輸出信號； 液位測量值； 流量測量值； 定值器的輸出信號； c加法器的可調彈簧系數。在正常情況下，調節c與值，使為左右，調節閥處于適當開度。當流量正常而液位受到擾動上升時，增大，使流量調節器的輸出信號增加，從而開大閥門的開度，使流量增大，以使液位恢復正常。當液位正常，而流量受到擾動而增加時，減小，流量調節器的輸出減小，因而使流量慢慢減小。用qdz儀表組成的系統，由于使用可靠，成本低，維修方便，所以應用廣。用ddz-型儀表組成系統，可少用一臺恒流給定器。此時加法器的輸出為式中：加法器輸出電流信號； 液位變送器輸出電流信號； 流量變送器的輸出電流信號。精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統方框圖如圖6所示。圖6 精餾塔液位與出料量的雙沖量均勻控制系統方框圖如圖6形式，就可以清楚的看出，它具有串級的優點。其主調節器可看成是的純比例調節器。副環是流量回路，對于直接進入流量回路的干擾 （如控制閥前后的壓力干擾等）通過副環的快速作用，可以得到很快克服。因此控制器參數整定可按串級副控制器原則進行。很顯然，由于主調節器（即液位調節器）的放大倍數不能調整，所以要求液位和流量變送范圍選擇合適。4控制量與正反作用選擇4.1控制量與被控量選擇生產過程中希望借助自動控制保持恒定值(或按一定規律變化)的變量稱為被控變量。在構成一個自動控制系統時，被控變量的選擇十分重要、它關系到系統能否達到穩定操作、增加產量、提高質量、改善勞動條件、保證安全等目的，關系到控制方案的成敗。 被控變量的選擇是與生產工藝密切相關的，而影響一個生產過程正常操作的因素是很多的，但并非所有影響因素都要加以自動控制。所以，必須深入實際，調查研究，分析工藝，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量。 所謂“關鍵”變量，是指這樣一些變量：它們對產品的產量、質量以及安全具有決定性的作用，而人工操作又難以滿足要求的；或者人工操作雖然可以滿足要求，但是，這種操作是既緊張而又頻繁的。根據被控變量與生產過程的關系，可分為兩種類型的控制型式：直接指標控制與間接指標控制。直接指標控制：被控變量本身就是需要控制的工藝指標，比如溫度、壓力、流量、液位、成分等； 間接指標控制：如果工藝是按質量指標進行操作的，照理應以產品質量作為被控變量進行控制，但有時缺乏各種合適的獲取質量信號的檢測手段，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，這時可選取與直接質量指標有單值對應關系而反應又快的另一變量，如溫度、壓力等作為間接控制指標。要正確地選擇被控變量，必須了解工藝過程和工藝特點對控制的要求，仔細分析各變量之間的相互關系。選釋被控變量時，一般要遵循下列原則。(1)被控變量應能代表一定的工藝操作指標或能反映工藝操作狀態，一般都是工藝過程中比較重要的變量。(2)被控變量在工藝操作過程中經常要受到些干擾影響而變化。為維持被控變量的恒定，需要較頻繁的調節。(3)盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。(4)被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。(5)選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內儀表產品現狀。(6)被控變量應是獨立可控的。 根據以上分析，選擇被控量為液位信號，其為直接指標控制，簡單易測，十分方便。在自動控制系統中，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為控制變量，最常見的控制變量是介質的流量。當被控變量選定以后，接下去應對工藝進行分析，找出有哪些因素會影響被控變量發生變化的。一般來說，影響被控變量的外部輸入往往有若干個而不是一個，在這些輸人中，有些是可控(可以調節)的，有些是不可控的。原則上，是在諸多影響被控變量的輸人中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入，作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量則視為系統的干擾。概括來說，控制變量的選擇原則主要有以下幾條。(1)控制變量應是可控的，即工藝上允許調節的變量。(2)控制變量一般應比其他干擾對被控變量的影響更加靈敏。為此，應通過合理選擇控制變量，使控制通道的放大系數適當大、時間常數適當小(但不宜過小，否則易引起振蕩)、純滯后時間盡量小。為使其他干擾對被控變量的影響減小，應使干擾通道的放大系數盡可能小、時間常數盡可能大。(3)在選擇控制變量時，除了從自動化角度考慮外，還要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。一般說來，不宜選擇生產負荷作為控制變量，因為生產負荷直接關系到產品的產量，是不宜經常波動的。另外，從經濟性考慮，應盡可能地降低物料與能量的消耗。在本次設計中，選擇出料量作為被控變量，均符合上面的原則。4.2正反作用選擇自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。也就是說，如果被控變量值偏高，則控制作用應使之降低；相反，如果被控變量值偏低，則控制作用應使之升高。控制作用對被控變量的影響應與干擾作用對被控變量的影響相反，才能使被控變量值回復到給定值。在控制系統中，不僅是控制器，而且被控對象、測量元件及變送器和執行器都有各自的作用方向。所以，在系統投運前必須注意檢查各環節的作用方向，其目的是通過改變控制器的正、反作用，以保證整個控制系統是一個具有負反饋的閉環系統。所謂作用方向，就是指輸入變化后，輸出的變化方向。當某個環節的輸入增加時，其輸出也增加，則稱該環節為“正作用”方向；反之，當環節的輸入增加時、輸出減少的稱“反作用”方向。 對于測量元件及變送器，其作用方向一般都是“正”的，因為當被控變量增加時，其輸出量一般也是增加的，所以在考慮整個控制系統的作用方向時，可不考慮測量元件及變送器的作用方向(因為它總是“正”的)，只需要考慮控制器、執行器和被控對象三個環節的作用方向，使它們組合后能起到負反饋的作用。對于執行器，它的作用方向取決于是氣開閥還是氣關閥(注意不要與執行機構和控制閥的“正作用”及“反作用”混淆)。當控制器輸出信號(即執行器的輸入信號)增加時，氣開閥的開度增加，因而流過閥的流體流量也增加，故氣開發是“正”方向。反之，由于當氣關閥接收的信號增加時，流過閥的流體流量反而減少，所以是“反”方向。 執行器的氣開或氣關型式主要應從工藝安全角度來確定。對于被控對象的作用方向，則隨具體對象的不同而各不相同。當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的。反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的。對于控制器的作用方向是這樣規定的：當給定值不變，被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，稱為“正作用”方向，或者當測量值不變，給定值減小時，控制器的輸出增加的稱為“正作用”方向。反之，如果測量值增加(或給定值減小)時，控制器的輸出減小的稱為“反作用”方向。在一個安裝好的控制系統中，對象的作用方向由工藝機理可以確定，執行器的作用方向由工藝安全條件可以選定，而控制器的作用方向要根據對象及執行器的作用方向來確定，以使整個控制系統構成負反饋的閉環系統。 綜上所述，從工藝安全角度，出料量的閥門應該為氣開閥，故表現為“正作用”方向，對于流量對象，當控制閥的開度增加時，出料量隨之增加，故流量對象表現為“正作用”方向，隨著出料量的上升，液位必隨之減小，故液位對象表現為“反作用”方向，而在一般情況下，流量檢測變送與液位檢測變送都表現為“正作用”方向，故為使整個系統滿足負反饋，控制器必須為反作用。5參數整定目前工業上常用的控制器主要有三種控制規律；比例控制規律、比例積分控制規律和比例積分微分控制規律，分別簡寫為p、pi和pid。選擇哪種控制規律主要是根據廣義對象的特性和工藝的要求來決定的。下面分別說明各種控制規律的特點及應用場合。比例控制器是具有比例控制規律的控制器，它的輸出p與輸入偏差e(實際上是指它們的變化量)之間的關系為：比例控制器的可調整參數是比例放大系數或比例度，對于單元組合儀表來說。它們的關系為：比例控制器的特點是：控制器的輸出與偏差成比例，即控制閥門位置與偏差之間具有一一對應關系。當負荷變化時，比例控制器克服干擾能力強、控制及時、過渡時間短。在常用控制規律中，比例作用是最基本的控制規律，不加比例作用的控制規律是很少采用的。但是，純比例控制系統在過渡過程終了時存在余差。負荷變化越大，余差就越大。比例控制器適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統等。比例積分控制器是具有比例積分控制規律的控制器。它的輸出p與輸人偏差e的關系為：比例積分控制器的可調整參數是比例放大系數 (或比例度)和積分時間。比例積分控制器的持點是：由于在比例作用的基礎上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例、只要偏差存在、控制器的輸出就會不斷變化，直至消除偏差為止。所以采用比例積分控制器，在過渡過程結束時是無余差的、這是它的顯著優點。 但是，加上積分作用，會使穩