本科生课程设计（论文）
第2章 控制方案的设计
2.1 设计要求
1． 塔釜温度控制在800±0.5℃；
2． 生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，要保证精馏塔正常工作； 3． 塔釜及相关期间要经济实用。
2.2 方案设计
精馏塔的干扰因素：
1． 2． 3． 4． 5．
进料量波动的影响； 进料成分波动的影响； 进料温度波动的影响； 蒸汽压力波动的影响； 回流量和冷剂量波动的影响。
精馏塔的扰动如图2.1：
图2.1 系统扰动
根据扰动的分析，系统设计方案主要考虑前馈和串级两种控制方案。
2.2.1 塔釜温度的前馈控制
首先介绍什么叫静态前馈控制，即静态前馈控制的原理。所谓静态前馈控制原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入信号（干扰信号）d大小的函数，而与时间因子t无关。因此，前馈控制作用可以简化为：
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Mf=f(d) （2-1）
通常将上式的关系近似的表示为线性关系，则前馈控制器就仅仅参考器静态放大系数作为矫正的依据，即：
Wt(s)=-kf=-kd／ko （2-2）
式中，kd，ko分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般来说kf可以用实验方法来获得，如果有条件列写对象有关参数的静态方程，则可以通过计算来确定。
在精馏塔塔釜的温度控制中，扰动可以测量但是不好控制，并且干扰幅度较大。蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量，控制对象则是塔釜的温度。
塔釜温度前馈控制的系统框图如下：
扰动设定值被控变量调节器执行器控制对象变送器
图2.2 塔釜温度前馈控制
2.2.2 塔釜温度的串级控制
串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器。
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塔釜温度串级控制示意图如图2.4：
图2.4 塔釜温度串级控制示意图
TTTCPCPT精馏塔通过实际改造和使用，串级调节与单回路控制相比较，串级控制有许多优点： 1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。
2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。
3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。
通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏塔的分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。
2.3 方案选择
由于前馈控制因不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。由于本设计主要考虑物料、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，所以应用串级控制系统。
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第3章 系统各仪表选型
3.1 系统方框图
主控制器副控制器执行器副对象主对象温度变送器温度变送器
图3.1 系统方框图
3.2 温度传感器的选择
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。
铂铑10－铂热电偶传感器测温范围在0~1600℃，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℃环境下。
3.3 执行器的选择
调节器是控制系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。
执行器在控制系统中夜起着重要的作用，它直接实施控制系统的动作就好像
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人体的五官和手脚一样，大脑是调节器，而手就是执行器。执行器是一种现场类仪表因此它的精度、使用寿命、抗干扰和环境的适应能力等就是人们所关注的指标。
控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式： 1．按动力来源分，有气动和电动两大类； 2．按动作极性分，有正作用和反作用两大类； 3．按动作特性分，有比例和积分两大类。
3.4 调节器的选择
调节器是控制系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。
3.5 控制器的正反作用选择
控制阀：气开式取“+”号，气关式取“-”号； 控制器：正作用取“+”号，反作用取“-”号；
对象：当控制阀的物料或能量增加的时候，若被控量随之增加取“+”号，反之取“-”号；
变送器：一般为正环节；
气开阀随着控制信号的增大而开度增大，当无压力控制信号的时候，阀门处于全关闭状态；
当物料及蒸汽压力加大的时候阀门处于气开状态；
当物料流量增加的时候，输出物料也会增加，同时精馏塔本身容量的限制会控制这个流量的大小，所以控制器选择反作用，调节器即为正作用。
3.6 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1~5V直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250Ω。
器件选型如表3.1所示：
表3.1 器件选型
调节器 DDZ-Ⅱ型PID调节器
温度传感器 WRP系列热电偶传感器 执行器 ZMAP-1.6Mpa气开式 6