典型过程控制系统及仿真.ppt
过程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink电子工业出版社 出版 2009.4,作者：郭阳宽 王正林联系邮箱：,本章内容与 目录,11.1 燃烧过程控制系统 11.1.1 燃烧过程控制系统的基本理论 11.1.2 燃烧过程控制系统综合仿真11.2 PH控制系统 11.2.1 PH控制系统的基本理论 11.2.2 PH控制系统综合仿真 11.3 精馏控制系统 11.3.1 精馏控制系统的基本理论 11.3.2 精馏工艺的基本控制方案 11.3.3 精馏控制系统综合仿真 本章小结,本章描述了比值控制的基本概念，介绍了比值控制的基本特点、比值控制系统的设计及其控制器参数整定等基础知识，并通过实例仿真进行了各类比值控制系统设计及整定。通过本章，读者对比值控制的基本概念、特点和设计方法有较为全面的认识，并通过仿真深化对比值控制的理解。,11.1 燃烧过程控制系统,11.1.1 燃烧过程控制系统的基本理论,1蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统,燃油蒸汽锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供应其他生产环节使用。一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，随着后续环节的生产用量不同，反应在燃油蒸汽锅炉环节就是蒸汽压的波动。维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气实现的。,以燃油蒸汽锅炉为例说明燃烧系统中带有一定普遍性的控制问题。燃油锅炉的燃烧控制主要有三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。,11.1 燃烧过程控制系统,11.1.1 燃烧过程控制系统的基本理论,2炉膛负压控制系统锅炉炉膛负压力过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失、影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值，增加燃料损失、热量损失和降低热效率。保证炉膛负压的措施是引风量和送风量的平衡。如果负压波动不大，调节引风量即可实现负压控制；当蒸汽压力波动较大时，燃料用量和送风量波动也会较大，此时，经常采用的控制方案如图11.2所示。,11.1 燃烧过程控制系统,11.1.2 燃烧过程控制系统综合仿真,(具体内容请参阅教材),11.2.1 PH控制系统的基本理论11.2.2 PH控制系统综合仿真,11.2 PH控制系统,11.2.1 PH控制系统的基本理论,1PH控制的特点 PH控制系统的主要方式有三种：用一种碱（或酸）滴定另一种物质使PH值保持在某一值上；对两种分别呈酸性和碱性物质的流量等进行控制使PH值保持在一定值上；控制两种物质的混合溶液使之保持在一定的PH值上。PH控制和其他控制参数的不同主要在于：PH滴定曲线的高度非线性；滴定过程的测量纯滞后特性。,11.2.1 PH控制系统的基本理论11.2.2 PH控制系统综合仿真,11.2 PH控制系统,11.2.1 PH控制系统的基本理论,1PH控制的特点,在控制系统中将PH值的变化转化为中和反应酸碱的控制流量变化，是根据滴定特性曲线进行的。将滴定特性曲线转化为酸碱流量变化规律的方法主要有三种：利用非线性阀补偿过程的非线性；采用三段式滴定调节器，用三条相接的线段代替非线性滴定曲线；采用滴定曲线的非线性调节器精确描述滴定曲线。随着技术的进步，利用非线性阀补偿滴定曲线非线性用的越来越少了；而基于计算功能元器件或计算机的第2种方法和第3种方法应用越来越多。对滞后的补偿常采用三种方法：微分史密斯补偿方法，由于该法本身适应能力较差，较少使用；改进的史密斯补偿方法；自适应方法，应用较多的是增益自适应的Smith法。为了提高控制系统的误差跟踪性能，PH控制系统经常采用的控制策略是PI或PID，不能采用P调节。,11.2 PH控制系统,11.2.1 PH控制系统的基本理论,2三段式非线性调节器和采用滴定曲线的非线性调节器,实际中，酸碱中和后通过PH计测得PH值大小，控制系统将当前PH值大小折算成溶液中酸碱量的多少，并调节系统酸碱流量大小实现要求的PH值。非线性调节器即是用三段相接的直线构成的折线近似滴定曲线。,采用滴定曲线的非线性调节器，即将滴定曲线所描述的函数关系利用现代的非线性函数器或计算机精确描述出来。尤其是利用计算机的查表或编程等手段可精确实现滴定曲线的非线性调节器。,11.2 PH控制系统,11.2.1 PH控制系统的基本理论,3PH滴定曲线的更一般情况,11.2 PH控制系统,11.2.2 PH控制系统综合仿真,(具体内容请参阅教材),11.2 PH控制系统,11.2.2 PH控制系统综合仿真,(具体内容请参阅教材),11.3.1 精馏控制系统的基本理论 11.3.2 精馏工艺的基本控制方案 11.3.3 精馏控制系统综合仿真,11.3 精馏控制系统,11.3.1 精馏控制系统的基本理论,1精馏工艺概述,11.3 精馏控制系统,11.3.1 精馏控制系统的基本理论,2精馏工艺的基本要求,精馏塔的控制主要有三类指标：质量指标（产品纯度）、产品产量指标和能耗指标。根据精馏过程，基本的精馏工艺要求有：（1）保证产品的提纯纯度（质量）和产量精馏过程所得产品自然应满足规定的质量要求。精馏产品的质量要求一般是要保证塔顶或塔底产品之一达到规定的纯度要求，而另一产品纯度在规定的范围内。产品质量的高低与能耗、产量和成本等关联密切，为了取得综合效益最好，往往把产品质量控制到刚好能满足规格要求，即所谓“卡边”生产。产品的产量通常用回收率表示。回收率为原料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。可见回收率越高，表明产量越高。（2）安全和节能生产过程的安全性主要体现在精馏过程控制中的参数设限问题，即根据实际情况，设定如蒸汽压力、流量等的最大最小值，以防止事故发生保证安全生产。耗能问题是精馏过程所研究的重点问题。能耗的降低主要考虑工艺过程的合理性、过程控制的参数选择和策略选择合理性等。,11.3 精馏控制系统,11.3.2 精馏工艺的基本控制方案,精馏工艺的基本控制内容包括：精馏塔外部的原料流量控制、过热蒸汽控制；精馏塔内部的精馏塔压力控制、精馏段相关量控制、提馏段相关量控制；总体的安全控制和节能控制等。,常用的基本控制方案有：,（1）通过控制回流量保证精馏段产品质量指标，同时保持再沸器加热量为定值,11.3 精馏控制系统,11.3.2 精馏工艺的基本控制方案,常用的基本控制方案有：,（2）通过控制馏出液流量保证精馏段产品质量指标，同时保持再沸器加热量为定值,11.3 精馏控制系统,11.3.2 精馏工艺的基本控制方案,常用的基本控制方案有：,（3）通过控制加热量控制提馏段产品质量，同时保持回流量恒定,11.3 精馏控制系统,11.3.2 精馏工艺的基本控制方案,常用的基本控制方案有：,（4）通过控制加热量控制提馏段产品质量，同时保持回流量比恒定,11.3 精馏控制系统,11.3.2 精馏工艺的基本控制方案,常用的基本控制方案有：,（5）依据精馏段质量指标控制釜液流量，保持回流量恒定,11.3 精馏控制系统,11.3.3 精馏控制系统综合仿真,(具体内容请参阅教材),本章小结,本章讲述了工业生产中的典型过程控制系统，主要有燃烧过程控制系统、PH过程控制系统和精馏过程控制系统。（1）燃烧过程控制系统本节首先讲述了燃烧控制的燃烧过程控制的基本概念和理论，重点是各种和燃烧相关的参数及其与燃烧过程的关系、燃烧的各种控制方法及其选择。其次讲述了燃烧过程控制系统的仿真方法。（2）PH控制系统，本节首先讲述了PH控制系统的基本概念和理论，重点是滴定曲线的形式及构造方式。其次讲述了PH过程控制系统的仿真方法。（3）精馏控制系统，本节首先讲述了精馏控制系统的基本概念，主要有精馏的工艺过程、精馏工艺的基本要求等。其次讲述了五种典型的精馏控制方案。最后讲述了精馏过程控制系统的仿真方法。通过这些典型生产过程概念和仿真的学习，可以实现对其他过程控制系统的举一反三，充分掌握实际生产过程的控制理论与仿真方法。,
