阅读文献
1. Luyben, W. L.; “Snowball Effect in Reactor/Separator Processes with Recycle，” Industrial & Engineering Chemistry Research, 33, 299 – 305 (1994).
多回路控制系统设计的三大步骤
• 基本物流的控制；
• 主要操作指标的控制； • 剩余变量的处理。
基本物流的控制
• 安全操作的根本;
• 产品质量控制的基础; • 对优化操作具有重要的影响。
物流控制的三种方式
• 顺物流控制方式;
• 逆物流控制方式; • 混合式控制方式。
B, D
B A
A, C
C
B
A+BC +D
控制系统的整定
• 塔顶浓度控制器参数整定
Tu = 132 minutes
临界增益：5.44，临界周期： 132 minutes 放大倍数：1.70，积分时间： 290.4 minutes
调节作用---进料组成的影响
调节作用---进料流量的影响
总结
• 本章概括地介绍了工业过程控制的基本方法 ，即多回路控制系统的综合与设计。
第七章: 控制系统的综合与设计
主要内容
• 全厂控制 (Plant-Wide Control)
• 多变量系统的控制方法; • 多回路控制系统的综合与分析;
• 多回路控制系统的设计策略; • 一个理想二元蒸馏塔的多回路控制。
全厂控制 (Plant-Wide Control)
• 决定操作与控制变量的选择与配对；
阅读文献
3. Luyben, W. L.; “Derivation of Transfer Functions for Highly Nonlinear Distillation Columns, ” Industrial & Engineering Chemistry Research, 26, 2490 – 2495 (1987).
汽液平衡计算
塔内气液平衡按下式计算： Pj = xA, jPAs + xB, jPBs yi, j = xi, jPis / Pj
饱和蒸汽压按下式计算： Ln Pis = Avp, i – Bvp, i/Tj A(Avp/Bvp) = 11.6531/3862 B(Avp/Bvp) = 12.3463/3862 (1) (2)
例子: 一个理想二元 蒸馏塔控制系统的综合与设计
• 给定一个二元精馏塔，分离由物质 A 和 B 组 成的混合物。进料流量为100 mol/s, 进料浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为 0.95(B) 。操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol 。 冷 凝 器 和 再 沸 器 的 稳 态 液 量 分 别 为 30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。
B, D
A
D
主要操作指标的控制
两种控制模式：
• 直接控制模式; • 间接控制模式(又称作推断控制或软测量技 术)。
多回路控制系统的综合与设计
需要解决的两个主要问题：
• 输入与输出变量的配对; • 控制器参数的整定;
输入与输出变量的配对
• 可采用 RGA 、MRI 与 CN 等动态特性与可 控性的判据进行。 • 最好采用动态的RGA 、MRI 与 CN等判据。
• 变量配对与控制器的整定是控制系统综合与 设计要解决的根本问题。
• 通过一个理想二元蒸馏塔 , 显示了多回路控 制系统综合与设计的基本特征。
作业
根据所给的理想二元蒸馏塔的操作目的, 进 行该过程控制系统的综合与设计，并进行 仿真分析。假定进料流量为100 mol/s, 进料 浓 度 是 A:B = 0.5:0.5 。 塔 顶 产 品 浓 度 为 0.95(A), 塔底产品浓度也为 0.95(B) 。操作 压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满 足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 mol 。 冷 凝 器 和 再 沸 器 的 稳 态 液 量 分 别 为 30 mol。塔板水力学时间常数是8秒。
多回路控制系统的整定
两步法 (又称实验法)： (1) 对每个控制回路，均设置P控制方式。 通过调整控制器的增益，搜索临界增益 (Ultimate gain) 与 临 界 频 率 (Ultimate frequency) 。依次计算 Ziegler-Nichols 的参 数设置。 (2) 搜索一个公因子对全部回路进行如下调 整,以使得系统具有一个满意的衰减比。 Kc = Kzn/f, TI = Tzn*f
• 包括物流控制与产品质量控制； • 能显著影响系统控制系统的性能； • 能显著影响优化操作系统的性能。
多变量系统的控制方法
• 多变量控制理论与方法 (1) 充分协调变量之间的相互作用； (2) 需要精准的数学模型，鲁棒性较差。
• 多回路(Multi-Loop)控制方法 (1) 多变量控制的近似方法； (2) 不需要精准的数学模型，鲁棒性较高。
2. Finco, M. V., W. L., Luyben, and R. E. Polleck; “Control of Distillation Columns with Low Relative Volatilities,” Industrial Engineering and Chemistry Research, 28, 75 – 83 (1989).
(3)
理想二元蒸馏塔的结构
2
LCΒιβλιοθήκη XA=0.95 11 F=100 mol/s XF=0.5
21
LC
XB=0.95
简化动态模型的建立
输入与输出变量的配对
所得到的控制结构
控制系统的整定
• 塔底浓度控制器参数整定
Tu = 4.94 minutes
临界增益：206.5，临界周期： 4.94 minutes 放大倍数：64.53，积分时间： 10.87 minutes
多回路控制系统的整定
迭代法： 其基本规则是就时顺序整定各个回路， 且 整定一个就闭合一个。当所有回路均闭合 后，再从第一个回路进行整定， 直至得到 满意的闭环相应为止。
多余自由度的处理
• 如果系统还有多余的自由度，可依据它们 进行系统的稳态优化。 • 当然还要考虑这些多余的自由度对系统动 态特性与可控性的影响。