摘要
本文是围绕蒸馏塔的测控问题展开的，蒸馏塔是生产的核心，具有非线性、强耦合、多变量等特点，它的控制直接影响到产品的质量、产量和能耗。本文研究的目的是对蒸馏塔进行控制，使产品质量符合要求。
本文的研究方法是：（1）通过蒸馏塔模型做它的动态性能分析，（2）利用RGA 算法对控制量和被控量进行有效的配对,（3）PID调节器参数的设计（4）对所采用的方案进行MATLAB仿真，（5）基于PLC进行硬件设计。
关键词：控制 RGA PID参数设计 MATLAB仿真
Abstract
第一章 绪论
1.1 蒸馏塔的现状
精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。
轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸汽冷凝为液相，并提供精馏所需的回流。
精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。
蒸馏是当代应用最广的一项工业分离技术, 目前已具有相当成熟的经验与研究基础, 今后较长时期仍将是工业分离的主要手段。在我国, 随着化学工业特别是石油工业的发展, 蒸馏技术得到十分广泛的应用。蒸馏是高能耗的分离过程, 其应用量大面广, 无论是在提高产量或质量方面, 还是在减少能耗方面的改进都可能取得可观的经济效益。它一直受到国家的重视与支持, 曾被列为重大项目, 并成立了蒸馏国家重点实验室(化学工程联合国家重点实验室的一部分) 以及有关的新技术推广中心。
蒸馏技术的出现虽有较长历史, 蒸馏学科的发展也具相当的基础, 但从总体看仍处于半经验阶段。由于影响因素十分复杂, 理论预测的偏差一般仍然很大, 故安全系数也比较大, 造成了设备和能源的很大浪费, 特别是大型工业蒸馏塔。因此, 蒸馏技术存在很大的改进余地, 蒸馏学科应该而且必将继续发展, 同时蒸馏技术的发展也面临许多难题与挑战.
1.2蒸馏塔的工作原理
在发酵成熟醪中，不单是含有酒精，还含有其它几十种成分的物质，若加上水，这些物质的含量远远超过酒精的含量，成熟醒中酒精含量仅为7—11％(容量)左右，而包括水、醇类、醛类、酸类、脂类的杂质几乎占90％，要得到纯净的酒精，就必须采用一定的方法，把酒精从成熟醪中分离出来。生产中是采用加热蒸馏的办法，把各种不同沸点、比重、挥发性的物质从不同的设备中分离出来，从而得到较高纯度的酒精。
粗馏塔的工作原理为发酵成熟醪通过预热后，进入粗馏塔中的上部，塔底不断均匀地通入加热蒸气，这时由于加热的作用就可将成熟醪中液态酒精转变为酒精气体，同时其它低沸点和挥发性的杂质，都成为气态，和酒精一同进入排醛塔中(也可直接进入精馏塔)，塔底将蒸馏后的废糟排出塔外。
粗馏塔运行正常时，塔顶温度不得低于93℃，但也不能过高，过高的顶温对分离无利，且耗蒸汽量大。一般控制在95—96℃。温度过低，醒中的酒精没有完全蒸发出来，逃酒率明显增大。纯酒精的沸点是78.3℃，但
混有水等成分的混合液体的沸点远远不止78.3℃，所以，粗馏塔底温控制不应低于105℃，一般在105℃—109℃之间。成熟醪进入粗馏塔前必须进行预热，减小温差，有利于蒸馏塔稳定运行。一般应将醪预热温度控制在60—70℃之间，有些生产单位由于设备性能的影响，一般偏低5—10℃。 除醛塔的工作原理是成熟醪中的酒精经过粗馏后，由气态从粗馏塔顶进入除醛塔中，通过除醛塔内再适量的加热、冷凝、回流，使粗酒精中所含的醛、酯等低沸点、易挥发的杂质从排醛管中排出，脱醛酒精从醛塔底部进入液相精馏塔，部分酒头从酒头管中进入后发酵罐的醪中或成熟醪中。 正常情况下，除醛塔底部温度为86—89℃，塔顶温度控制在79℃，除醛塔上的1*冷凝器水温不应低于60℃，最后一个冷凝器的温度不得低于25℃。
精馏塔的工作原理是酒精通过以上两塔蒸馏后，酒精浓度还需要进一步提高，杂质还需进一步排除，精馏塔的蒸馏目的就是通过加热蒸发、冷凝、回流，上除头级杂质，中提杂醇油，下排尾级杂质，获得符合质量标准的成品——酒精。
精馏塔的塔顶温度一般应控制在79℃，塔底温度应控制在105—107℃，塔中温度在取酒正常的情况下，在88—92℃之间。精馏塔上的1*冷凝器水温应在60—65℃，2*冷凝器应在35—40℃，最后一个冷凝器温度最好不低于25℃。 1.3
精馏塔的控制要求
精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。
精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑。 1．质量指标
精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中重组分含量。对于多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示。关键组分是指对产品质量影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组分是不易挥发的，称为重关键组分。产品组分含量并非越纯越好，
原因是，纯度越高，对控制系统的偏离度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使 图6.1-1 精馏塔示意图 用要求适应。
2．物料平衡控制
进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜
液位一定（介于规定的上、下限之间）为目标的。
3．能量平衡和经济平衡性指标
要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗，使能量平衡，实现较好的经济性。
4．约束条件
精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全操作的要求，对精馏塔操作参数有一定的约束条件。
气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限。当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象。
最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。
操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。
临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常操作。 1.4蒸馏塔的测控问题
为保证蒸馏产物的质量须使蒸馏塔回流，而盲目回流又可能使产物的纯度过高，这是造成浪费能源的主要因素。另一方面，蒸馏塔的动态特性复杂，且具有非线性，对输出组分又难以实现精确快速测量。因此对蒸馏塔组分的测控问题一直是自动控制领域中的重要研究课题。70年代以来，随着能源的不断紧张，人们更加重视这方面的研究，已经将适应控制系统应用于蒸馏塔的输出组分控制。 干扰 蒸馏塔运行中最主要的干扰是由输入馈流引起的，包括馈流的组分、流速等参数变化所引起的干扰。在多级控制中还要考虑加热蒸气的压力和冷却水流引起的干扰。若馈流速度取决于馈送设备、而且是不可控的，则可将它的测量值用于前馈控制，以控制输出流量和塔内流量，使它们与输入馈流成比例。由于塔身竖立于地面，还需要考虑气候变化的影响。
测量 对产物组分的直接测量通常采用气体色谱仪，也可采用质谱仪等其他分析仪表。这类仪表需要一段处理时间才能得出测量值，结果给控制回路带来显著的死区时间，同时成本也较高。因此，还需要利用对其他参数的测量来间接推断产物组分。常用间接测量方法包括测量温度、红外吸收、折射率和电导率等参数。通常采用直接测量和间接测量相结合的方式。直接测量仪表装在输出管道上，用于精确测量流速较慢的产物流的组分。间接测量用于检测馈流干扰引起的快速扰动，装在塔的中部，因为塔端温度对组分的变化不敏感。
适应控制 PID调节器在工业控制中广泛应用,它需要针对系统的动态特性调整比例、积分和微分项的系数后才能取得良好的效果。把 PID调节器用于蒸馏塔产物组分控制，往往需要频繁地调整以补偿操作条件改变引起的动态特性变化。采用适应控制方案可较理想地解决这个问题。例如采用自校正调节器可达到或优于 PID调节器的控制效果，而且省去了调整的工作。