石油化工厂脱甲烷塔塔釜液位与塔底产品流量的均匀控制系统.doc

目录1.引言12.设计要求13.设计方案分析24.检测变送器、调节阀选型34.1 检测变送器的选型34.2 调节阀气开气关式选择35.调节器的正反作用选择46.控制系统建模与参数整定57.系统仿真与分析88.小结与体会9参考文献11石油化工厂脱甲烷塔塔釜液位与塔底产品流量的均匀控制系统1.引言石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切，互相关联，甲烷塔塔底的出料就是后面塔的进料，为了保证塔器的正常运行，要求进入塔的流量变化平缓，同时要求塔釜液位稳定。如果对前面塔釜采取液位控制，对后面塔采取流量控制，其调节参数都是塔底出料量，显然，这两个控制系统工作时是有矛盾的，因为当前面塔的液位由于干扰作用而升高时，液位调节器输出信号使调节阀开大，塔底出料量增大（即送入后面塔的进料量增大）。于是设法采用自动调节来模拟中间贮槽的缓冲作用，力图使液位和流量能均匀地变化，组成所谓均匀控制系统。均匀控制系统的过渡过程控制质量指标要求服从于控制目的，塔釜液位和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要照顾，只要两个参数在某一范围内作缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的。2.设计要求设计的均匀控制系统，液位和流量两个参数的变化应满足如下要求：1. 两个参数在控制过程中都应该是变化的，且变化是均匀缓慢的。 2. 两个参数必须在允许的范围内变化，在最大干扰作用下，液位也在塔的上下允许限内波动，而流量也应在一定的允许范围内平稳渐变，避免对后段工序产生较大的干扰。如图2-1所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。（a）是单纯的液位定值控制；（b）是单纯的流量定值控制；（c）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。图2-1 前一设备的液位与后一设备的进料量关系1液位变化曲线；2流量变化曲线3.设计方案分析如图3-1所示为塔釜液位与塔底出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，他像一个单回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。图3-1 简单均匀控制系统4.检测变送器、调节阀选型4.1 检测变送器的选型本设计选用差压式液位变送器，利用测量容器底部和顶部的压差测液位如图4-1所示。图4-1 差压式变送器示意图测量原理：设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p1 ，则：p1= Hr g + p2p = p1-p2= Hr g式中： H液位高度；r 介质密度；g重力加速度。4.2 调节阀气开气关式选择气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。 无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。根据此原则，本设计我们应该选用气开式调节阀。5.调节器的正反作用选择在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时、输出减少的称“反作用”方向。 对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向(因为它总是“正”的)，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀(注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆)。当控制器输出信号(即执行器的输入信号)增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开发是“正”方向。反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。对于被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。 综上所述，从工艺安全角度，出料量的阀门应该为气开阀，故表现为“正作用”方向，随着出料量的上升，液位必随之减小，故液位对象表现为“反作用”方向，而在一般情况下，液位检测变送都表现为“正作用”方向，故为使整个系统满足负反馈，控制器必须为正作用。6.控制系统建模与参数整定图6-1所示为一简单均匀控制系统。图6-1 简单均匀控制系统其液位对象具有物料平衡关系式 （1）对上式作拉氏变换，可得 （2） （3） 式中 贮罐的横截面积。由图可知，流出量不仅与控制阀阀杆位移有关系，而且还与调节阀前后压力以及液位的自衡作用有关系，即 （4）式中 阀杆位移；液位高度；、分别是阀前、后的压力。用传递函数形式可表示如下， （5） 按上述分析，对该简单均匀控制系统可以画出如图6-2的方块图。图6-2 系统方框图将图5简化后，得到如图6所式的方块图。图中 (6)它表示了液位是通过“自衡作用”和“控制作用”两方面来影响流量的。 当 相比于 有足够大时，它才显得重要。若出口泵位正位移形式，则 可略。由于简单均匀控制要求输出流量变化缓慢平稳，所以控制过程操作周期是比较长的。在这样的条件下，液位变送器、控制阀的动态特性都可以不考虑，即,这样 （7）图6-3 简单均匀控制系统的简化方块图由图6-3可得 (8) (9) (10) (11)显然它们的特征方程式为： (12)因为均匀调节系统，一般都取得很小（）。小就意味着调节参数变化小，被调参数允许变化大，工作频率低，因此对象的时间常数大，所以、的动态特性可以忽略（只考虑他们的静态放大倍数，）。 (13) (14) 在一般情况下的简单均匀控制，建议采用纯比例控制，这是因为：纯比例控制仪表投资可减少，可以用变送器代替100%调节器。从求得的传递函数可以看出液位与流量具有很好的同步性由于同步性，输出流量的变化总比输入流量变化幅度小。 的静态增益始终比1小，并且输入频率越高，输出变化越小（缓冲的好），具有低频通过，高频滤掉。由于输出变化小（在流速恒定下）通过流出管道的最大流量减小，因此下一部分的管道与阀门的尺寸都可以缩小。 调节器参数很容易整定 因为余差 ，所以越大，余差越小；流出量变化越大。同时时间常数越小，变化也越大。 变化不会引起振荡。比例度一般取等于100%，这意味着液位变送器达到上限值时，调节阀全开；液位变送器达到上限值时，调节阀全开。 7.系统仿真与分析根据建立的系统模型，设计的matlab仿真图如图7-1所示：图7-1 系统仿真图仿真中的PID控制器选用纯比例控制，以满足均匀控制的要求，得到的液位与塔底流量的仿真曲线如图7-2所示，液位最后稳定在设定值1附近，且流量与液位的变化满足均匀控制。图7-2 液位与流量曲线得到的液位与流量具体变化曲线如下图7-3所示：图7-3 液位与流量具体变化曲线8.小结与体会这次的过程控制课程设计，可以说是对以前学习的一个综合考验，不但涉及到了所学过程控制的课程知识，而且还需要将这些知识融汇贯通，并付诸实践。这跟以前的单纯地学习一门理论知识是有很大差别的，也使我遇到了以前没有遇到过的困难。有些问题是书本上没有的，这些问题使我不知道从哪里着手；有些在理论上很简单的问题，在实践中却变得很复杂，这使我感到难以进行下去；而有些问题又似乎是与理论知识有些出入的，这更让我茫然不知所措。但是，在同学的帮助下，通过自身的努力，查阅了许多参考资料，反复实验，终于克服了种种困难，完成了设计，结果也达到了预定的指标。在这个克服困难完成毕业设计的过程中，我学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。参考文献1 薛弘晔等编，计算机控制技术，西安电子科技大学出版社，20032 王化祥，张淑英，传感器原理及应用，天津大学出版社，19993 陈隆昌等，控制电机，西安电子科技大学出版社，20004 何离庆等，过程控制系统与装置，重庆大学出版社，20035 施仁等，自动化仪表与过程控制，电子工业出版社，20036 周雪琴，张洪才，控制工程导论，西北工业大学出版社，200311