1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的解耦控制系统仿真设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中文摘要II摘 要随着我国经济的高速发展，石油经济在我国经济中所占的比重越来越大，石油的精馏受到越来越广泛的关注 1。精馏塔作为石油工业中一种常见的分离设备，广泛应用于混合物的精确分离。精馏塔之间的耦合现象是影响精馏塔提纯质量的主要因素之一 2。由于精馏塔精馏的过程涉及输入输出的强耦合，其精确的数学模型难以建立起来，使用传统的方法对于精馏塔的解耦控制很难取得很好的效果，采用相互独立的PID 控制回路，也很难消除回路之间的耦合性，很难达到理想的控制效果。
2、而手动控制易引起温度突然升高后难以下降到理想的温度，这会导致长时间无法达到稳定的状态。因此，解决实现精馏塔的解耦控制这个难题，使其达到一定得纯度，并安全高效的运行，是具有重要的意义的。本文首先详细介绍了精馏塔，解耦控制的基本要求。在分析精馏塔耦合的特征基础上，针对耦合模型提出了两种解耦方案，并对各种方案进行仿真，分析仿真结果，以此来探讨解耦控制的效果。关键词：精馏塔，Simulink，解耦控制英文摘要IIAbstractWith the rapid development of Chinese economy and the growing proportion of oil economy
3、in domestic economy, the oil distillation has drawn more and more attention. Rectification tower, as a common separation equipment of oil industry, has been widely used in precise separation of mixtures.The coupling phenomenon between rectification towers is one of the main factors that affect the q
4、uality of distillation purification. Distillation process involves strong coupling, as a result, precise mathematical model is hard to build up. Using the traditional method for the decoupling control of rectification tower is difficult to achieve good results. It is also difficult to eliminate coup
5、ling between the loops when using independent PID control loops. So it is very difficult to achieve ideal control effect. Manual control is easy to cause sudden temperature rise unable to be easily dropped, which can lead to a long time unstable status. Therefore, to solve the problem of decoupling
6、control of rectification tower, to make it reach certain purity and operate safely and effectively, is of important significance.In his paper, first, the basic knowledge of rectification tower and decoupling control is introduced. Based on the analysis of the characteristics of rectification towers
7、coupling, four decoupling plans are made according to the coupling models. Each plan has been stimulated. By analyzing the result of analog stimulation, the effect of decoupling control has been discussed.Key words: Rectification tower, Simulink, decoupling control目 录III目 录摘 要 .IABSTRACT（英文摘要） .II目
8、录 .III第一章 引 言 .11.1 论文的应用背景和实用价值 .11.2 精馏控制的研究现状 .11.3 论文工作所要解决的问题 .2第二章 精馏塔控制系统 .32.1 精馏塔概述 .32.1.1 精馏塔的控制要求 .42.1.2 精馏塔的扰动因素 .5第三章 解耦控制理论 .73.1 解耦控制概述 .73.2 解耦控制的发展 .73.3 精馏塔的解耦控制 .73.4 解耦控制系统的特点 .83.5 相对增益 .83.51 相对增益的定义 .83.52 相对增益的性质 .9第四章 解耦控制系统的设计 .104.1 耦合的形成 .104.2 前馈设计补偿法解耦合 .124.3 对角矩阵解耦法
9、解耦合 .13第五章 解耦控制系统仿真 .155.1 前馈补偿解耦控制仿真 .155.11 系统的识别 .15目 录IV5.12 解耦调节器的确定 .155.13 控制器参数整定 .185.14 整个系统仿真 .195.2 对角阵补偿解耦控制仿真 .205.21 系统的识别 .205.22 解耦调节器的确定 .215.23 控制器参数整定 .235.24 整个系统仿真 .25结论 .28参考文献 .29致谢 .30第一章 引言- 1 -第一章 引 言1.1 论文的应用背景和实用价值改革开放以来，我国经济高速发展，综合国力与日俱增。而在中国飞速发展的同时，我们面临着越来越多的机遇与挑战。胡锦涛同
10、志在党的十七大报告中指出，要“坚持走中国特色新型工业化道路。 ”在进行新型工业化生产中，我们遇到了一些棘手的问题例如，在石油的生产中要获得高纯度的乙烯、丁二烯等化学原料，这就需要我们使用一些精馏装置将其分离。精馏塔就是这样一种将混合物中各组分分离，达到规定浓度的一种装置。精馏的实质是将一定浓度的溶液输入精馏装置中使其进行反复的汽化与冷凝，从而使塔顶和塔底的分离物达到需要的纯度。石油工业的兴起，使得我国对精馏操作的需求越来越大。随着分离物的多样化，复杂化，对获取物的纯度要求也随之不断地提高，精馏控制的具体操作也相应地复杂起来。在生产设备和装置复杂化的同时，因其被控参数较多，预期产品分离物的高纯度
11、也越来越难实现。我们只有妥善决工业生产中的控制问题，才能较好地解决精馏塔提纯的问题。才能坚定不移地走好新型工业化道路。才能在新的发展时期，基本实现工业化 3。1.2 精馏控制的研究现状早在 1921 年，bacchaus 就提出了精馏的概念随后，随后，一大批学者在30 年代到 60 年对精馏塔系统进行了工艺上的改进；有关精馏控制过程的计算公式与控制方法也在 70 年代被提出；在 80 年代，学者们开展了精馏最优化研究与数学上的模拟；90 年代，学者们对精馏过程进行了多解分析；本世纪初，学者们开始研究精馏的优化控制 4。研究人员迅速地将研究成果运用于实际生产中，如石油的精馏、脂化反应等等中。目前
12、精馏技术中最热门的领域是有关其过程的优化控制技术与建模。化学工程中首选的分离操作过程是精馏,虽然精馏有许多优点,但缺点也不占少数，特别是其能耗大 5。为了使精馏塔能节能生产,国内外已研制出一些节第一章 引言- 2 -能型耦合精馏塔:如分隔壁精馏塔(DWC)。在国内，已有高校开始研究节能型的精馏塔,但目前没有 DWC 应用机构和研究单位。1.3 论文工作所要解决的问题精馏塔要得到一定纯度的产品就必须要解决实际生产中的自动控制问题，即解决生产中的耦合问题，本文针对在精馏过程中，精馏塔的温度控制回流存在较强耦合，提出精馏塔解耦控制的设计方案和并利用 MATLAB 进行仿真。 笔者在认真阅读国内外参考
13、资料的基础上分析、总结，并做了如下工作。（1）在学习了精馏塔和解耦控制系统的基础上，设计了两种具体的解耦控制方案，并在理论上分析解耦的可实现性。（2）以 Matlab 为平台， Simulink 为仿真工具，对精馏塔进行解耦控制系统的模拟仿真。在各种仿真的方案中，通过比较解耦后的系统与没有解耦的系统的性能上的变化，来分析解耦系统对原精馏塔的改善作用。第二章 精馏塔控制系统- 3 -第二章 精馏塔控制系统2.1 精馏塔概述 精馏的实质，就是利用混合组分中各组分具的挥发度不同，即在同等的温度下，利用各组分的蒸汽压不同这一性质，使得气相中的重组分转移到液相中，而液相中的轻组分转移到气相中，从而达到混
14、合物分离，精馏过程的关键设备是精馏塔 6。事实上，在工业生产中，大半的能量都是消耗在精馏设备中的，精馏的过程控制的重要对象是精馏塔，如何高效地获得高纯度的分离物，一直是学者们研究的重点问题。 精馏塔塔身、冷却装置、加热蒸汽和再沸器等设备组成了一般的精馏装置7。从结构上分，精馏塔可分为填料塔和有板式塔两大类，板式塔因其结构特点的不同可分为泡罩精馏塔、浮阀精馏塔、筛板精馏塔、穿流板精馏塔、浮喷精馏塔、浮舌精馏塔等。填料塔的主要特点是阻力小，结构简单，可用耐腐蚀材料制作等 8。填料塔一般适用于直径小的精馏塔。图 2-1 为精馏塔物料流程图。 图2-1 精馏塔物料流程示意图第二章 精馏塔控制系统- 4
15、 -多级塔盘组成了精馏塔，其工作原理复杂。在实际生产过程中，不同工艺要求的精馏塔种类不同，系统的耦合性、分离物纯度不同，这就造成了不同的组合，控制方案繁多；精馏工艺控制有较高的要求，这就造成了控制的相对困难；另外，控制作用响应的缓慢性，不同变量之间存在的相互关联等说明，精馏塔的精馏过程是一个多参数的被控过程。只有对生产过程进行深入地学习、分析，才能设计出合理的控制系统。 2.1.1 精馏塔的控制要求 精馏塔的控制目标主要是：在产品质量合格的前提下，保证平稳地、高效地生产，满足一些参数的极限值所限定的约束条件，节约能源，提高产品的经济性。 （1）保证产品质量产品质量的保证即塔顶和塔底的产品应该保
16、证其规定的纯度 9。而对于二元组分的精馏塔来说，产品的质量指标就是指塔顶的输出产品中轻组分的纯度和塔底的输出产品中重组分的纯度维持在规定的范围内。产品的质量控制需要纯度分析仪表。而目前还不能生产出这种滞后小、高精度等级的分析仪表，在实际生产中，精馏塔产品纯度控制的控制是通过温度控制来间接实现的，即通过对温度的控制来代替质量控制系统。（2）物料平衡的保证为了保证精馏塔运行的稳定性，原料进塔之前的主要可控干扰应该被预先克服，不可控的扰动也应该尽可能减缓 10。为了保证精馏塔的物料进出的平衡，塔顶和塔底产品输出量之和应该等于平均进料量，同时应保证两个输出量的变动较缓和，以利于精馏塔的平稳运行；塔内的
17、物料应该维持在容器储存量的上下限范围之内；精馏塔内的压力也应该维持动态的平衡。（3）满足约束条件 为保证精馏安全稳定地生产和得到高质量的产品，必须使主要操作参数限定在一定的安全生产要求范围内 11。塔内气体流速必须限定在临界流速内，当第二章 精馏塔控制系统- 5 -塔内流速过高时，因夹带雾态泡沫严重，下液相将倒流到上塔板，产生液泛现象，破坏系统的稳定性，流速过低，会导致塔板严重漏液，降低塔板效率，对工作范围较窄的乳化塔和筛板塔必须更加严格的限制。精馏塔内的压力不能超过最大操作压力，当塔内压力超过其最大耐压极限时，塔内的气液平衡会受到影响，严重超过限制压力会破坏生产的安全和稳定。 临界温差是指再
18、沸器两侧的温差，如果温差过低，会造成给热系数的降低，精馏塔的正常传热将得不到保障。（4）节能要求和经济性 冷凝器所需的冷却能量和再沸器所需的热量是精馏过程所的主要能耗 12。精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。其中质量指标是必要条件，只有在优先保证质量指标的前提下降低消耗才是有意义上的。降低能耗主要应从精馏过程的参数选择和工艺的合理性考虑。2.1.2 精馏塔的扰动因素 精馏塔扰动因素很多，为了保证精馏塔安全高效的生产，精馏塔必须要保持物料的平衡和热量的平衡，任何因素都是通过影响物料平衡或者影响热料平衡从而影响塔的正常运行 13。进料温度的波动，冷凝器所需冷却量和再沸器所需加热量的波动是影响热平衡的主要因素。精馏塔进料流量的变化、进料组分的不稳定和输出量的变化是造成物料不平衡的主要因素。热料平衡及物料平衡之间也存在相互影响。（1）进料流量的扰动进料量发生变化是不可控的。当精馏塔处于一个完整精馏过程的起点时，采用定值控制就可使流量恒定。然而在实际生产中，往往上一道生产工序就决定了精馏塔进料量，要使精馏塔进料量不发生波动，则需要设置中间贮槽或容器进行缓冲。目前的精馏工艺是要尽可能减小或取消容器，出料流量由上一道工序设置液位均匀控制系统进行控制，这样可以使进料流量的波动较小，避免产生剧烈变化。 （2）进料成分的波动
