毕业设计（论文）均匀控制动态特性分析与仿真研究.doc

1 导论本文主要是对精馏塔进出料进行控制，使得进料量与出料量达到平衡，以此来实现物料液位均衡状态，以避免物料过多溢出造成浪费，或者物料不足延误生产的问题，从而能够达到提高生产效率的目的。因此，首先针对精馏塔原理、均匀控制的由来和目的做一简单的介绍和说明。1.1 精馏塔控制系统介绍1.1 .1 精馏塔控制精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。1.1.2 控制要求及干扰因素为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:(1) 保证产品质量。以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。(2) 保证平稳生产。首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。(3) 满足约束条件。系统必须满足一些参数的极限值所限定的约束条件,如塔内气体流速的上下限、塔内压力极限值等。(4) 节能要求及经济性。主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。影响产品质量指标和平稳生产的主要干扰因素有: 进料流量( F) 的波动; 进料成分( ZF) 的变化; 进料温度( TF) 和进料热焓值( QF) 的变化;再沸器加热剂输入热量的变化; 冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化; 环境温度的变化。1.2 均匀控制的由来均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的1。 石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图2.2-1所示。图1-1 前后精馏塔的供求关系Fig 1-1 Before and after the distillation column of the relationship between supply and demand 显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。 对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。因为： （1.1-1） 要起缓冲作用，就要借助于的变化。例如，变化2，可以调节使H变化1，Q出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。1.3 均匀控制的目的在连续生产过程中，生产设备是紧密联系在一起的，前一设备的出料往往是后一设备的进料，特别是石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切，互相关联，前一精馏塔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。如果对前面精馏塔采取液位控制，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）。为了保持后面塔进料量的稳定，流量调节器输出信号使流量调节阀关小，这样串联在同一管道上的前后两个流量调节阀动作方向相反，发生矛盾。因此这种不协调的控制方案是不可取的。 为了解决前后两塔供求之间的矛盾，可在两塔之间设置一个中间贮槽，这样既满足了前面塔液位调节的要求，又缓冲了后面塔进料量的波动，但增加了设备和投资，而且遇有化合物易于分解或聚合时，不宜在贮槽内贮存时间过长，于是企图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。由此可知均匀控制是指控制目的，而不是指控制系统的结构。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。2.均匀控制的动态特性分析2.1 均匀控制的特点 表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化缓慢。图2-1所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。是单纯的液位定值控制；是单纯的流量定值控制；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。那种试图把液位和流量都调整成直线的想法是不可能实现的。（a）只有液位控制 （b）只有流量控制 （c）均匀控制图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Fig 2-1 Feed rate relationship of the device level and the latter device1Level change curve; 2Flow curve 前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内。均匀控制要求在最大干扰作用下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平稳渐变，避免对后工序产生较大的干扰。2.2 均匀控制方案的分析2.2.1 简单均匀控制图2-2所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，它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2-2 简单均匀控制方案Fig 2-2 Simple and uniform control program 图2-2方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。（自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）2.2.2 串级均匀控制图2-3所示是蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控制对副环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。图2-3串级均匀控制系统Fig 2-3 Cascade control system 需要指出，在有些容器里，液位是通过进料阀来控制的，用液位调节器对进料的流量作调节同样可以设计均匀控制系统3。还需要指出，当物料为气体时，前后设备间物料的均匀控制不是液位和流量之间的均匀，是指前设备的气体压力与后设备的进气流量之间的协调。例如，脱乙烷塔塔顶分力气内压力是用来稳定精馏塔压力的，而从分离器出来的气体是加氢反应器的进料，两者都要求平稳，因此设计了如图2-4所示的压力与流量串级均匀控制系统。这种气相物料的压力与流量的均匀控制和液相物料的液位与流量均匀控制是极为相似的，但需要注意的是压力对象比液位对象的自衡作用要强得多，故一般采用简单均匀控制方案不易满足要求，而往往采用如图2-4所示的串级均匀控制方案。图2-4分离器压力与出口气体流量串级均匀控制系统Fig 2-4 Separator pressure and outlet gas flow cascade control system 串级均匀控制系统所用的仪表较多，适用与控制阀前后压力干扰和自衡作用较显著而且对流量的平稳要求又高的场合4。2.2.3 双冲量均匀控制双冲量均匀控制是以液位和流量两信号之差（或和）为被控变量来达到均匀控制目的的系统。图2-5就是双冲量均匀控制的一个实例。它以塔底液位与采出流量两个信号之差（若流量为进料时，则取两信号之和）为被控变量，通过控制，使两者都能按均匀控制的要求变化。其控制过程大体上可这样来描述：在稳定状态下，加法器的输出为 （2.2-1） 式中：分别表示加法器输出、液位测量信号、流量测量信号和偏置信号。这时，作为调节器的设定值，一般将它设置在中间值。假设某一时刻，液位因干扰作用而升高，则加法器输出增加，调节器感受这个偏差信号之后进行控制，发出命令去开大阀门，引起流量增加和液位从某瞬间开始下降。当两个测量信号之差逐渐接近到某一数值时，加法器的输出重新恢复到控制器的设定值，系统又趋于稳定，控制阀停留在新的开度上，液位的平衡数值比原来有所升高，流量的平衡数值也比原来有所增加，从而达到了均匀控制的目的5。（a） 原理图 （b）方块图图2-5 双冲量均匀控制系统及方块图Fig 2-5 Double Impulse control system block diagram双冲量均匀控制在结构上相当于两个信号之差（或之和）为被控变量的单回路控制系统，控制器以比例积分作用为宜。由于加法器综合考虑液位和流量两信号变化的情况，只要将方块图画成图2-6形式，就可以清楚的看出，它具有串级的优点。其主调节器可看成是的纯比例调节器。副环是流量回路，对于直接进入流量回路的干扰 （如控制阀前后的压力干扰等）通过副环的快速作用，可以得到很快克服。因此控制器参数整定可按串级副控制器原则进行。很显然，由于主调节器（即液位调节器）的放大倍数不能调整，所以要求液位和流量变送范围选择合适。 图2-6 双冲量均匀控制系统方块图的另一形式Fig 2-6 Double Impulse control system block diagram of another form of uniform2.3 均匀控制系统的理论分析目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e(实际上是指它们的变化量)之间的关系为：比例控制器的可调整参数是比例放大系数或比例度，对于单元组合仪表来说。它们的关系为：比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输人偏差e的关系为：比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数 (或比例度)和积分时间。比例积分控制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。 但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想的PID控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系： 比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定6。2.3.1 调节器采用纯比例实现图2-7所示为一简单均匀控制系统。其液位对象具有物料平衡关系式 （2.2-2） 对上式作拉氏变换，可得 图 2-7 简单均匀控制系统 Fig 2-7 Simple and uniform control system (2.2-3） （2.2-4） 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 （2.2-5）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， （2.2-5） 按上述分析，对该简单均匀控制系统可以画出如图2-8的方块图。图2-8 简单均匀控制系统的方块图Fig 2-8 Simple control system block diagram将图2-8简化后，得到如图2.2-8所式的方块图。图中 (2.2-6)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 （2.2-7） 图2-9 简单均匀控制系统的简化方块图Fig 2-9 Simple and uniform simplified block diagram of the control system由图2-9可得 (2.2-8) (2.2-9) (2.2-10) (2.2-11)显然它们的特征方程式为： (2.2-12) 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，）。= （2.2-13） = （2.2-14） 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（如图2-10所示）。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 图 2-10 液位与流量的同步性 Fig 2-10 Synchronization of the liquid level and flow 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。（iv）对操作工人，输出参数变化缓慢，心理上有好处。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。 图 2-11 纯比例调整根轨迹图 Fig 2-11 Pure proportional adjustment of the root locus变化不会引起振荡(因为只有一个极点)如图2-11所示。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。2.3.2 用比例积分实现(一般不宜用比例积分)2.3.2.1 流量与液位不能同步均匀控制因为不同步,输出流量会超越输入流量，因为图2-12的与面积要相等，要恢复液位无差，输出流量值必须超越，因此流量与液位不能同步。 图 2-12比例积分控制流量与液位变化 Fig 2-12 Proportional integral control of flow and level changes2.3.2.2 参数整定困难 采用PI调节规律的简单均匀控制系统如图2-13所示。 图2-13 采用比例积分调节系统结构及方框图 Fig 2-13 Proportional integral control system architecture and block diagram 设图2-13中各个环节的传递函数为： ；闭环特征方程 即 （2.2-15）这里令 （2.2-15）式可写成 （2.2-16）比较标准二阶系统 = 0 这里 （2.2-17） （2.2-18） 结论：从（2.2-17）式可看出越大，自然振荡频率越高，越大 ，越低；从（2.2-18）式可看出越大，越大，越稳定（即周期长，回复时间长，变化平稳）；对于的变化不是单调的，在某一值下，系统的值最小，振荡最强烈，在大于或小于这一数值下，则系统值都会增大，稳定性增加。上式不易看出如何随而变化，用求极值法进行分析。从以上几式可得出 其中 设 则 解此方程 取当>1 则>0；当 1 则 0。 所以此函数有极小值（如图2-14所示）。图2-14 均匀控制系统稳定性与放大系数关系图Fig 2-14 Uniform control system stability and the amplification factor diagram 因此在参数整定时，应加以注意，若参数整定得当，能使液位和流量品质都好，若整定不当，两者指标都差。3 系统各器件选型3.1检测转换元件的选择、性能参数本系统需要使用的检测转换元件为流量检测转换元件和液位检测转换元件，下面分别介绍这两种检测转换元件。3.1.1流量检测转换元件 在工程上，流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，其常用的计量单位有以下三种：1）体积流量Q 单位时间内通过某一截面的物料体积，用立方米每小时（m3/h）,升每小时（l/h）等单位表示。2）重量流量G 单位时间内通过某一截面的物料的重量，一般用公斤力每小时（Kgf/h）表示。3）质量流量M 单位时间内通过某一截面的物料的质量，可用公斤每小时（Kg/h）表示。上述三种流量之间的关系为 M=Q (3.1) (3.2)式中，是流体密度；是流体重度；g是重力加速度。流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多，根据本题要求选择差压式流量计差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘利流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。 差压式流量计的原理是：根据伯努利能量方程，当流体流经管道中的节流装置(如孔板)时,流束将在节流装置处形成局部收缩,流速增加,静压力降低,在节流装置前后产生微小的静压力差（称为差压）。流体的流速越快，节流装置前后产生的差压也越大,从而可以通过测量差压来间接测量流量的大小。图3-1孔板式的节流元件Fig 3-1 Orifice plate throttle device图3-1所示为孔板式的节流元件，理论分析与实验表明，孔板两侧的压力差，即P=P1-P2与质量流量M之间有如下关系： (3.3)其中 (3.4)式(3.3)表明，流量M与差压P的平方根成正比。式(5.4)中的为流体密度；与S为孔板的尺寸参数;c为流出系数，由实验决定。式(3.3)与式(3.4)均指液体介质。而对于蒸汽或气体，也有类似的关系。只是需要改写液体密度为气体密度并加入气体膨胀修正系数。但在具体的应用条件下，这些参数都是固定不变的，所以归结于式(5.4)的常系数K。优点:(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长；(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；缺点:(1)测量精度普遍偏低；(2)范围度窄,一般仅3:14:1；(3)现场安装条件要求高；(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。3.1.2 液位检测转换元件：本设计方案选择静压式液位计对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。图3-2 静压式液位计进行开口容器的液位测量Fig 3-2 Hydrostatic level gauge for level measurement of the open container 图3-2所示为用静压式液位计进行开口容器的液位测量。压力计与容器的底部相连，根据压力计指示的压力大小，即可知道液位的高度，其关系为 (3.5)式(3.5)中，H是液位的高度；是液体重度；是容器内取压平面上的静压力。3.2 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。 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，分析本例，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；阀门开度增加，流量随之增加，故副控对象流量表现为“正作用”方向；流量变送器表现为“正作用”方向；因此副调节器LC应为“反作用”方向。随着出料量的上升，液位必随之减小，故主控对象液位对象表现为“反作用”方向；副反馈环表现为随动系统可认为是“正作用”方向；液位变送器表现为“正作用”方向；故主调节器HC应为“正作用”方向。4 系统仿真与分析4.1 仿真技术 随着科学技术、仿真理论及计算机的不断发展，仿真技术不断提高。在如今的科学研究中，仿真技术提高了科学研究的水平，缩短了科学研究周期、降低了科学研究成本及风险、促进了各不同领域科学融合、加速了科研成果转化为生产力。可以说仿真技术已成为科学研究中必不可少的实用技术。因此在科学研究及应用中，仿真技术被广泛应用于数学、物理、电子、通信、医学、生物等众多领域。所谓仿真（Simulation），就是模型实验，即通过对系统模型进行实验来研究一个存在的或设计中的系统。按照模型的建立方法，仿真方法可以分为3类：实物仿真、数学仿真和半实物仿真。从20世纪40年代开始，人们开始将计算机引入到仿真技术中。随着仿真理论的不断完善以及计算机技术的快速发展，仿真技术得到了快速的发展。现今，计算机上的各种仿真软件可以方便的帮助人们进行各种实际情况的模拟，人们越来越习惯面对操作相对简单而成本由相对低廉的计算机仿真技术。MATLAB就是大量的计算机仿真软件中的优秀代表，它在科学研究特别是电子信息科学中有着极为广泛的应用。MATLAB现已被广泛应用于数学、通信、信号处理、自动控制、神经网络、图形处理等许多不同学科的研究中。在本实验仿真中，应用的是MATLAB中的Sinulink软件。Simulink是MATLAB的一个重要的分支产品，是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统设计和仿真工具。4.2 纯比例液位控制的仿真根据建立的系统模型，首先对与简单的均匀控制进行仿真，设计的MATALAB仿真图如图4-1所示： 图 4-1 简单控制系统仿真图Fig 4-1 Simple control system simulation diagram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 4-1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4-2 液位曲线Fig 4-2 Level curve 得到的液位与流量的具体变化曲线如图4-3：图4-3 液位与流量具体变化曲线Fig 4-3 Specific level and flow curve4.3 比例积分液位定值控制的仿真从以上分析可知液位和流量之差再经过一个积分环节，其输出便是液位。控制系统的方块图如图4-4所示。当以液位为定值控制对象时，其输入流量是一个阶越加正弦波的干扰信号。其波形如图4-5所示。图4-4控制系统方块图Fig 4-4 Diagram of control system仿真控制系统图形如图4-5所示 图4-5比例积分仿真控制系统图形Fig 4-5 Even control system diagram of the comparison integral calculus液位输出波形如图4-6所示图4-6输出液位仿真波形Fig 4-6 Output the liquid imitates a form 流量输出波形如图4-7所示图4-7液位定值控制时流量仿真波形Fig 4-7 The discharge for the liquid to settle the value control imitates a form由图4-6和图4-7可见，以液位为被控对象的定值控制系统，液位仿真曲线变化比较平稳，而流量波动比较剧烈。5 结束语本论文主要是针对精馏塔进、出料进行控制，以实现物料流量和液位达到一个平衡状态。通过对均匀控制的起源、目的和特性分析，对当前工业现状存在的问题提供了一种可行的解决方案，并通过仿真模拟，使得这一解决方案更形象直观。