・５０・ 工业仪表与自动化装置 ２０１３年第６期 精馏塔温度模糊解耦控制系统的研究 赵静 （西北工业大学明德学院机电工程系，西安７１０１２４） 摘要：精馏过程属于多变量、时变、强耦合和具有分布参数的非线性过程，为了实现精馏塔塔顶 和塔底的产品均需达到一定纯度的要求，在分析精馏塔工作特性以及塔顶和塔底的温度耦合特征 的基础上，提出了一种塔顶和塔底温度模糊解耦控制方案。通过对塔顶和塔底温度的ＰＩＤ控制、解 耦控制、模糊解耦控制，进行了设定值扰动测试、过程扰动测试的仿真。结果表明，模糊解耦优于 ＰＩＤ控制和解耦控制，验证了模糊解耦控制的可行性。 关键词：精馏塔；模糊控制；解耦控制 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—０６８２（２０１３）０６—００５０—０５ ＺＨＡＯ Ｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍｉｎｇｄｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ＇ａｎ ７１０１２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｌｏｎｇｓ ｔｏ ｍｕｈｉｖａｒｉａｂｌｅ，ｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ，ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｕｒｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌ— ｌａｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｏｗｅｒ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｕｚｚｙ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ ｔｏｐ ａｎｄ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ＰＩＤ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｕｚｚｙ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ，ｓｅｔｔｉｎｇ ｖａｌｕｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ ￣ｌ－ａ－ 精馏过程的实质，就是利用混合物中各组分具 有不同的挥发度，即在同一温度下各组分的蒸汽压 不同这一性质，使液相中的轻组分转移到气相中，而 气相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目 耦合，提出一种精馏塔模糊解耦控制方案。 ｌ精馏塔控制系统 一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回流罐以 及再沸器等设备组成。在精馏过程中，工艺参数对 控制作用的响应缓慢，不同变量之间存在相互关联， 因此，精馏是一个多参数的被控过程；只有对生产工 的，精馏塔是精馏过程的关键设备。统计资料表明， 在石化工业中，４０％～５０％的能量消耗在精馏设备 中，精馏塔是过程控制的重要控制对象，一直受到控 艺进行深入分析，才能设计出合理的控制系统。 １．１精馏塔两端产品质量控制方案 制领域的关注。 当精馏塔塔顶和塔底产品均需达到一定的质 量指标时，就需要设置塔顶和塔底两端产品的质 量控制系统。图１为塔顶和塔底产品质量都需要 控制的控制方案。以塔底温度作为塔底产品间接 质量指标，以塔顶温度作为塔顶产品间接质量指 标。通过回流量控制塔顶温度，保证塔顶产品成 分；以塔底再沸器加热蒸汽量控制塔底温度，保证 塔底产品成分。 该文根据精馏塔要求在塔顶和塔底的产品均需 达到一定的质量指标，为了克服扰动对生产过程的 影响，从保证生产过程安全、高效入手，针对精馏过 程中精馏塔塔顶和塔底２个温度控制回流存在较强 收稿日期：２０１３—０４—１９ 作者简介：赵静（１９８３），女，陕西西安人，硕士研究牛，西北工业 大学明德学院机电工程系自动化专业教师。 ２０１３年第６期 工业仪表与自动化装置 ・５１・ 图１ 两端产品质量控制系统示意图 在这种控制方案中，由精馏操作的内在机理可 知，当改变塔顶回流量时，不仅影响塔顶温度，也引 起塔底温度的变化，当然也会影响塔顶产品组分和 塔底产品组分的变化。同理，当控制塔底的加热蒸 汽流量时，将引起塔内温度的变化，不但使塔底产品 组分产生变化，同时也将影响到塔顶产品的组分，显 然，塔顶和塔底２个控制系统之间存在着密切的关 联。在塔顶、塔底产品的纯度要求较高的情况下，必 须设计解耦环节对２个控制系统进行解耦。 １．２解耦控制的设计 前馈补偿解耦是用于多变量控制系统耦合的解 耦方法，图２为二变量解耦的系统框图。 图２前馈补偿解耦系统 图中Ｎ２ （Ｓ）、Ｎ ：（ ）为前馈解耦环节。要实现 Ｕ （ｓ）与ｙ２（ ）、Ｕ２（Ｓ）与Ｙ１（ｓ）之间解耦，根据不变 性原理可得： Ｕ （ ）Ｇ （５）十Ｕ （ｓ）Ｎ２ （５）Ｇ （５）＝０ （１） Ｕ２（ｓ）Ｇ ：（ ）＋ （ｓ）Ｎ （ｓ）Ｇ。 （５）＝０ （２） 由以上两式可求得前馈解耦环节的数学模型： Ⅳ２１（ 一 （３） （４） 采用前馈补偿解耦设计图３所示的两端产品质 量解耦控制系统，这种解耦环节的设计方法与前馈 补偿控制器的设计方法完全一致。 图３两端产品质量解耦控制系统简图 ２模糊控制环节的设计 ２．１输入输出变量的模糊化 把模糊控制器的输入变量（误差Ｅ、误差变化 ＥＣ）、输出变量ｕ的实际范围称为变量的基本论域。 基本论域内的量为精确量。输人输出变量所取的模 糊子集的论域均为｛一６，一５，一４，一３，一２，一１，０， ＋１，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６｝，选取其隶属度函数均 采用对称三角形，如图４、图５所示。 ６—５—４—３—２ １ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６（论域） 图４塔顶Ｅ 、ＥＣ 和 的隶属度函数 ６—５—４—３～２—１ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６（沦域） 图５塔底Ｅ：、Ｅ 和 的隶属度函数 ２．２模糊控制规则的设计 模糊控制的核心是模糊控制规则的建立。模 糊自动控制规则的实质是把操作者的经验加以总 结，并将在控制过程中由经验得来的相应措施总 结成一条条控制规则，由它们构成一个“模糊控制 器”。 １）塔顶模糊控制器的模糊规则 根据专家知识和操作人员的经验，精馏塔塔顶 模糊控制器的模糊规则如表１所示。 ・５２・ 工业仪表与自动化装置 ２０１３年第６期 表１塔顶模糊控制器的模糊规则 ３仿真 对于精馏塔温度控制系统的双变量控制系统，可 ＮＢ ＮＭ ＮＳ ＺＯ ＰＳ ＰＭ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ＰＭ ＰＭ ＰＳ ＰＳ ＰＢ ＰＭ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＺＯ ＮＳ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＺＯ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ 以采用比较接近精馏塔温度相关特ｆ生的数学模型： Ｇ（ｓ）：ｌ ｌ５０・７ｓ¨７・０６ｓ¨Ｉ ４９ｅ～０．８７ｅ ｌ ．『 ： ！：： 二 ：三 ］ （５） ８．０９ｓ＋１ ３．８９ｓ＋１ 则解耦环节 （ｓ）、Ｎ （ ）可由式（６）和式（７） 计算得到： Ｎ２１㈠＝一 ２）塔底模糊控制器的模糊规则 ＝ ：＝一（６） 精馏塔塔底模糊控制器的模糊规则如表２ 不。 Ｇ１２（Ｓ） Ｇｌ１（Ｓ）１．８２４ ＋０．３２ ４．６６ｓ＋０．６６ （７） 表２塔底模糊控制器的模糊规则 针对精馏塔温度控制分别以ＰＩＤ控制（不解 Ｂ Ｂ Ｂ ｌ、Ｂ Ｍ Ｚ０ ＺＯ ＮＭ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＳ ＺＯ Ｚ０ ＰＳ ＮＳ Ｚ０ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＳ ＺＯ Ｚ０ ＰＳ Ｚ０ ＰＳ ＰＳ ＰＭ ＰＳ ＰＭ ＰＢ ＮＢ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ Ｚ０ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＰＭ ＰＭ ＰＢ ＰＢ ＰＢ ２．３模糊推理 耦）、解耦控制、模糊解耦控制的方法进行仿真研究， 比较三者的仿真结果，验证模糊解耦的控制效果。 １）温度设定值 塔顶温度设定值为３０；塔底温度设定值为５０。 ２）设定值扰动测试 在２００ Ｓ时，对塔顶温度设定值加干扰，扰动值 为４０；在３００ Ｓ时，对塔底温度设定值加干扰，扰动 值为４０。 ３）过程扰动测试 在４００ Ｓ时，对塔顶温度控制过程加干扰，扰动 值为１０； 将上述模糊关系写成通式Ｒ ＝Ｒ ｎＲ 。某一 时刻的偏差和偏差变化的模糊值在ｅ和ｅｃ的隶属度 在５００ Ｓ时，对塔底温度控制过程加干扰，扰动 值为一１０。 ３．１精馏塔温度ＰＩＤ控制仿真 函数值对应于所量化的等级上取为１，其余均取为零 值。这样即可根据各条规则给出的模糊关系进行合 成推理运算而得到相应的输出值控制量模糊值。 从模糊控制器的设计过程可以看出，对于模糊 图６为ＰＩＤ控制下，精馏塔温度控制仿真图。 仿真结果如图７、图８所示。 ３．２精馏塔温度解耦控制仿真 控制器来说，完成一次控制动作，要将测量值输入模 糊控制器，经模糊化、模糊推理和解模糊之后，得到 一图９为解耦控制下，精馏塔温度控制仿真图。 仿真结果如图１０、图１１所示。 个确切的控制量并作用在被控对象上。 图６精馏塔温度ＰＩＤ控制仿真图 ２０１３年第６期 跚 ∞如∞如如ｍ ０ 工业仪表与自动化装置 ・５３・ 鲫如∞∞∞如加 ０∞ ’ ，｛ ０／一 ｛ ｌｆ 。 ０ １０Ｏ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ０ ｌ００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ 图７ ＰＩＤ控制的塔顶温度曲线 图８ ＰＩＤ控制的塔底温度曲线 ∞帅舯阳∞∞∞ 如∞０ ∞如∞ ∞∞柏如如∞０ 图９精馏塔温度解耦控制仿真图 ｉ ， ｆ ． ＿￥ ０ ｌ（砌 ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ｏ １ＯＯ ２００ ３００ ４００ ５ｏ０ ６００ ７００ ８００ 图１０解耦控制的塔顶温度曲线 图１１解耦控制的塔底温度曲线 ３．３精馏塔温度模糊解耦控制仿真 制效果更好，超调量很小，可以平稳地把温度控制在 图１２为模糊解耦控制下塔顶温度曲线，精馏塔温 设定值附近，避免了震荡，控制精度显著提高。 度控制仿真图如图１３所示，塔底温度曲线如图１４ ８０ 所示。 ７０ ６０ ４仿真结果分析 ５０ ４０ 从输出温度曲线可以看出，ＰＩＤ控制即不解耦 ３０ 控制 仅采用２个的ＰＩＤ控制器不能够消除塔 ２Ｏ ｝ 顶和塔底２个温度控制环节的耦合，二者相互影响 ｌｏ ｏ 严重，因而温度曲线持续震荡；解耦控制虽然有一定 ．１０ 解耦效果，但是和模糊解耦控制相比较，模糊解耦控 ｏ ｌＯ０ ２ｏ０ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ 图１２模糊解耦控制的塔顶温度曲线 ・５４・ 工业仪表与自动化装置 ２０１３年第６期 ∞∞踮如∞如∞ ｍ ０ 图ｌ３精馏塔温度模糊解耦控制仿真图 国石化出版社，１９９７． ／ 。 ［５］ 陈捷．精馏塔两端组分控制方案的选择［Ｊ］．炼油化工 自动化，１９９７（５）：２４—２８． ： ［６］ 王磊，王为民．模糊控制理论及应用［Ｍ］．北京：国防 ｆ 工业出版社，１９９７． ， ｊ ｆ［７］ 胡昌华．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计一模糊系统 ｆ ～ ［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００１． ［８］杨辉，王金章．多变量解耦模糊控制器的研究［Ｊ］．控 制与决策，１９８８（０３）：１７—２１． ０ ｌ００ ２００ ３ ｕｌ，４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ［９］王兴宇．多变量解耦控制的研究［Ｊ］．长春大学学报， 图１４模糊解耦控制的塔底温度曲线 ２００６（０６）：２４—２６． 参考文献： ［１］王再英，刘淮霞，陈毅静．过程控制系统与仪表［Ｍ］． ［１０］ Ｒａｕ Ｍ．Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ Ｂｒｅａｘｈ Ｓｃｉｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ．１９９３． 北京：机械工业出版社，２００６． Ｉ １ １ Ｉ Ｎａｆｖ Ｉ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ ［２］ 施仁，刘文江，郑辑光．自动化仪表与过程控制［Ｍ］． ｔｉｏｎｓ Ｍ］．Ｎｅｗｙｏｒｋ Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍ— 北京：电子工业出版社，２００３． ｐａｎｙ Ｉｎｃ，１９９２． ［３］厉玉呜．化工仪表及自动化［Ｍ］．北京：化学工业出版 『１ ２］ Ｓｉｎｓｋｅｙ Ｆ Ｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ『Ｍ］．Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉ— 社，１９９８． ｔｉｏｎ．Ｎｅｗｙｏｒｋ Ｍｃｇｒａｗ—Ｈｉｌｌ Ｃｏｍｐａｎｙ，１９９８． ［４］吴俊生，邵惠鹤．精馏设计：操作和控制［Ｍ］．北京：中 （上接第３８页） Ｉ ３ Ｉ Ｚｈｕ Ｓ．Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ ３一Ｄ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｒｏｓｓ 究［Ｊ］．兵工学报，２０１２，３３（６）：７５９—７６３． ——Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａ Ｌａｒｇｅ——Ｓｃａｌｅ ［６］高卓．基于机器人视觉的运动目标检测及跟踪算法研 Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ 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