反应精馏过程控制虚拟仿真实验国家级一流课程

图15 虚拟实验初始页面（虚拟中控室）

步骤1：课前预习

操作目的：让学生熟悉实验场景，了解实验的相关内容，为反应精馏过程控制虚拟仿真实验做好准备。

操作过程：认识虚拟仿真课程主界面，如图16所示，分为四个部分：上方为快捷方式栏，可以用于切换“课前预习”、“简单控制”、“复杂控制”三个实验模块以及“组态监控”、“实验报告”、“资料下载”三个常用APP；左侧为功能菜单，为整个实验模块的“实验简介”、“实验原理”、“实验指南”、“学习分享”；右侧为实验参数报表、实时曲线、模拟组态等控件，并且，右侧控件可以点击进行展开；下方为各个实验模块对应的实验步骤，学生按照实验步骤的顺序依次完成各实验模块。

图16 反应精馏过程虚拟仿真三维全景

首先点击上方的“课前预习”按钮，进入该实验，此时点击左上方的实验简介按钮会出现如图17所示的弹窗，在此弹窗可以查看该实验背景知识，点击右上角的 “×”退出此弹窗，在实验的整个过程都可以再次点击此按钮复习相关知识。

（1）实验简介

图17 虚拟仿真课程实验简介

（２）被控对象工艺演示

点击反应器或者精馏塔会自动演示该工艺流程，如图18所示，醋酸甲酯过程控制的工艺流程为：首先，两股进料分别为醋酸甲酯混合物和水，进入混合罐C3；接着，预热器加热后进入反应器R1，醋酸甲酯在催化剂的作用下生成醋酸和甲醇；其次，R1中的混合物送至反应精馏塔C1中，剩余的醋酸甲酯会在反应段进一步发生催化水解反应，水解产物醋酸和甲醇经C1塔的塔釜送入甲醇回收塔C2中，塔顶采出醋酸甲酯和少量甲醇循环至C3；最后， C2侧线采出甲醇，甲醇摩尔分数需达到96.5%，塔釜采出醋酸和水送回PTA装置中重新利用，醋酸摩尔分数需大于15%，C2塔顶的醋酸甲酯冷凝液返回到C3中。

图18 醋酸甲酯水解全流程工艺演示

相关知识点：

1）醋酸甲酯水解工艺控制方案设计要求

以醋酸甲酯水解工艺设计控制方案设计为例，主要的控制任务有以下几个：产品纯度控制、物料平衡控制以及能量平衡控制。保证生产过程中的物料以及能量平衡，对于生产设备的稳定运行具有重大意义，由于在精馏塔中物料能量平衡与塔内液位、压力密切相关，因此控制方案应首先保证醋酸甲酯水解生产装置中反应精馏塔和甲醇回收塔的塔顶压力、塔顶冷凝器液位和塔釜再沸器液位保持稳定。

图 19  醋酸甲酯反应精馏过程流程示意图

在醋酸甲酯水解装置进行控制系统设计时，主要有两个方面要求：甲醇回收塔侧线采出甲醇含量（Mole Fraction）稳定在97.4%附近；甲醇回收塔塔底采酸含量（Mole Fraction）>10%。

对醋酸甲酯水解工出醋艺进行控制系统设计时，首先要进行设计自由度分析，统计整个工艺流程中的可操作变量个数，然后选择合适的操作变量和被控变量进行配对，搭建合适的控制回路。

2）多回路复杂控制系统设计实验

以醋酸甲酯水解工艺为例，将整个过程按生产环节拆分成进料单元、预反应器单元、反应精馏单元，甲醇回收单元四个主要生产过程，然后分别对这四个单元设计控制回路以保证其在扰动下稳定运行。最后将设计好的控制回路组合到一起，再根据生产要求添加其他控制回路，最终形成完整的厂级醋酸甲酯水解工艺流程控制系统。

在厂级生产工艺流程设计控制方案时，采用自上而下的控制回路设计思路，如图6 所示，即在初始设计时首先明确生产目标，在对与生产目标最相关的变量进行控制后，利用剩余的自由度来使整个厂级工艺流程运行稳定，以醋酸甲酯水解过程为例，设计步骤如下：

  明确反应精馏控制要求：在厂级醋酸甲酯水解工艺中，我们在得到合格的产品甲醇的同时，同时期望在整个生产过程中循环流股流量保持稳定，使原料的消耗量稳定在一个正常的状态，这样就能够使整个生产过程中经济效益稳定。因此，明确生产目标即选择经济相关变量。

生产指标控制回路设计：明确生产目标后，首先进行与其相关的控制回路设计。由于首先设计与生产目标相关控制回路，因此存在较多的设计自由度，在设计控制回路时，有较多选择，容易取得较好的控制效果。

物料、能量平衡控制回路设计：在步骤2中与生产目标相关控制回路设计完成后，利用剩下的自由变量设计控制回路，使整个生产流程运行稳定。这样在设计过程中就可以有效避免添加多余控制回路，简化设计时间，节约费用。

针对本文中厂级醋酸甲酯水解生产工艺流程，将整个过程按生产环节拆分成进料单元、预反应器单元、反应精馏单元，甲醇回收单元四个主要生产过程，然后分别对四个单元设计控制回路保证在扰动下稳定运行。反应精馏控制结构如图20所示。

图20 反应精馏过程复杂控制方案设计

将前面按生产单元分别设计的控制回路组合到一起后，与整个厂级醋酸甲酯水解工艺流程稳定运行相关（物料/能量平衡、反应平衡、精馏塔内温度、成分稳定）的控制回路已经搭建完成。整个装置运行的最终目标是甲醇回收塔侧线采出符合规格的甲醇和甲醇回收塔塔采出醋酸在规定的要求之上。在分步设计时，没有设计与成分控制相关回路，在控制方案实际运行中，如发生扰动，有可能会导致产品合格率下降。因此，接下来应该添加与成分控制相关的控制回路。在复杂的厂级生产工艺流程中，成分直接控制是简单有效的控制方法。在本文醋酸甲酯水解厂级生产过程中，侧线采出流股中主要成分为产品甲醇和少量醋酸甲酯，因此只要保持侧线流股中这两种物料成分不变，就能够产出符合规格的甲醇产品。

步骤2.简单PID控制实验预习

操作目的：通过实验知识介绍了解简单控制模块的基本原理，学习间歇反应过程的机理模型知识和控制方案。

    操作过程：点击上方“简单控制”按钮进去简单控制实验，然后点击左上侧“实验简介”、“实验原理”和“实验指南”完成该实验的预习，如图21所示。

图21 简单控制过程虚拟仿真三维全景

首先点击上方的“实验简介”按钮，进入该实验，在此弹窗可以查看该实验背景知识，点击右上角的 “×”退出此弹窗，在实验的整个过程都可以再次点击此按钮复习相关知识。

系统详细给出苯胺加氢虚拟实验反应过程工艺原理，动力学机理模型，总物料平衡方程、能量平衡方程，如图22所示。

图22 苯胺加氢简单PID控制实验原理

相关知识点：

表1 工艺和结构初始参数和边界条件

步骤3：苯胺加氢反应被控对象讲解

操作目的：通过动画演示过程了解间歇反应过程的工艺流程，使学生掌握简单控制实验环节的背景工艺。

操作过程：点击反应器或者精馏塔会自动演示该工艺流程，如图23所示，苯胺加氢过程控制的工艺流程为：

图23 苯胺加氢反应工艺过程讲解

苯胺加氢反应通常以间歇补料的形式进行，将需要氢化的化学物质先加入反应器中；然后，将氢气流加入反应器中；最后，通过控制夹套内冷却液的流量实现反应器的温度控制，被控变量是反应器的温度，操纵变量是冷却液的流量。

相关知识点：

通过采用低选器LS控制两个传统PID控制回路来实现选择性控制，具体控制方案的设计如图24所示。温度控制器TC的输出OPTC同时控制冷却液阀门AC和高温覆盖控制器OR。OR根据TC的输出OPTC生成一个输出信号OPOR，随着输入信号从50%减少到25%，OPOR从100%减少到0%，OPOR经过低选器LS控制阀门AO。当OPOR低于压力控制器输出信号OPPC，低选器选择由压力控制器PC的输出信号OPPC控制AO。TC的输出OPTC同时决定AC的开度，当信号为50%或更少，阀门AC是全开的。

图24 苯胺加氢反应过程变结构控制结构

步骤4.简单控制实验仪表与阀门选型

操作目的：通过仪表选型的题目了解间歇反应工艺过程中的主要仪表设备，结合理论更好的掌握相关知识，掌握各种仪表的结构原理和流体特性等方面的知识，培养学生间歇反应过程想关仪表设计的能力。

    操作过程：点击“仪表选型”按钮，对反应器压力仪表、反应器温度仪表、冷却水流量仪表、氢气进料流量仪表和冷却水进口温度仪表，根据控制要求，进行恰当的选型，在完成每一项选型后，系统会提示是否选择正确并直接给出对应分数，图25是反应器压力仪表的选型界面与相关知识点。

图25 简单控制仪表与阀门选型

相关知识点：

（1）选择流量计的原则首先是要深刻地了解各种流量计的结构原理和流体特性等方面的知识，同时还要根据现场的具体情况及考察周边的环境条件进行选择。也要考虑到经济方面的因素。一般情况下，主要应从下面五个方面进行选择：① 流量计的性能要求；② 流体特性；③ 安装要求；④ 环境条件；⑤ 流量计的价格。（2）电磁流量计等工业仪表采用4-20mA 信号作为输出标准。

步骤5.简单控制温度单回路PID控制器设计

操作目的：通过控制器设计了解间歇反应工艺过程中的单回路温度控制，选择执行机构的形式和控制器正反作用，使学生结合理论更好的掌握控制器知识点，培养学生针对间歇反应器温度控制器设计的能力。

操作过程：点击“控制器设计”按钮，对温度单回路控制系统进行设计。如图26所示，学生需要根据控制要求确定执行机构的气开、气关形式；控制系统的被控变量和温度控制器的正反作用，在完成控制器设定后点击确定，系统会提示是否选择正确并直接给出对应分数。

图26 简单控制控制器设计

相关知识点：

（1）气开和气关作用方式：采用气开作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越大，而在失气时则全关；采用气关作用时，输入的气压信号越高，阀门的开度越小，而在失气时则全开。

（2）气开或气关作用的选择：首先要从工艺生产上的安全要求出发，考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全；其次要从保证产品质量出发，使在信号中断时，不降低产品的质量，如在精馏塔回流量的控制阀常采用气关式，一旦发生事故，阀门完全打开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品的输出。

（3）控制器的作用方向：如果将控制器的输入量(偏差)定义为“偏差=测量值-给定值”， 那么当偏差增加时，其输出信号也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减少控制器称为“反”作用控制器。

（4）选择步骤：首先按生产过程工艺机理，由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的正、反作用方向；其次由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式；最后由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合为“反”来选择控制器的正、反作用。

步骤6.简单控制开环响应测试

操作目的：根据间歇反应过程的物性参数、工艺流程的结构和操作条件给阀门赋值，观察开环响应曲线，使学生掌握开环测试知识点。

操作过程：点击“氢气进料阀”按钮，如图27所示，镜头会自动推到氢气进料阀处，学生可以仔细观察阀门动作时的状态，然后根据实验要求设置进料阀开度值，在此处可以观察不同的开度值对实验结果的影响。

图27 简单控制实验氢气进料阀

然后点击“开环响应测试”按钮，分别点击“进料阀开启”、“冷却阀开启”按钮，观察5分钟内的开环响应曲线和3D模型上的参数变化。同时点击关闭进料阀和冷却阀，系统将自动在实验报告的相应部分生成开环温度曲线。

图28 简单控制开环响应测试

相关知识点：根据各物性参数、工艺流程的结构和操作条件给各参数赋值，系统输入变量发生变化引起输出变量在一定时间内变化的规律就是系统的动态特性。通常这种规律主要通过开环响应曲线来呈现。

步骤7.简单控制自整定

操作目的：根据开环测试计算PID控制参数并赋值，使学生掌握自整定方法。

操作过程：点击“自整定”按钮，如图29所示，学生可根据前面开环响应的所的结果经自整定计算得到合适的参数整定PID初值。

图29  PID控制器参数自整定

相关知识点：

PID参数自整定方法：

1）控制器切换为手动模式，将控制器的输出改为阶跃型输出（通常采用阶跃变化），记录被控变量的响应曲线；

2）获取对象特性参数K、T、                                               ；

3）根据给定的公式计算控制器参数K_c, T_i , T_d，将控制器切换为自动模式；

4）调节比例系数K_c直到获得满意的过渡过程曲线。

表2 基于Ziegler-Nichols法获取PID参数初始值

步骤8.简单控制参数整定

操作目的：根据要求温度目标值设置PID参数，观察温度的响应曲线，调整参数使被控变量达到稳定，使学生掌握单回路PID整定方法，培养学生结合理论知识的实操能力。

操作过程：点击“参数整定”按钮，如图30所示，可以切换阀门的手自动模式，手动模式可以进行开环响应测试，切换至自动后，根据实验要求设定目标温度。学生首先改变P的值点击左侧整定后可以得到对应的参数整定评估结果，在获得衰减比在3.5-4.5的响应曲线后根据衰减曲线法进行PID参数整定，学生观察最后整定成功的结果，并记录下参数整定页面对应的值。

图30 简单控制控制参数整定

相关知识点：

PID控制器参数整定方法

本虚拟实验课程分别提供了经验整定法、响应曲线法、衰减曲线法、临界比例法四种PID控制器参数整定方法知识点、整定步骤和实验环节。

  ①经验整定法

a)先用单纯的比例(P)作用，即寻找合适的比例度，将人为加入干扰后的过渡过程调整为4：1的衰减振荡过程。

然后再加入积分(I)作用，一般先取积分时间为衰减振荡周期的一半左右。由于积分作用将使振荡作用加剧，在加入积分作用之前，要先减弱比例积分，通常把比例度增大10%~20%，调整积分时间的大小，直接出现4:1的衰减振荡。

如果需要，最后加入微分(D)作用，即从零开始，逐渐加大微分时间。由于微分作用能抑制振荡，在加人微分作用之前，可把比例度调整到比纯比例作用时更小些，还可把积分时间也缩短一些。通过微分时间的凑试，使过渡时间最短，超调量最小。

b)先根据表选取积分时间和微分时间,通常取微分时间为十二分之一的积分时间,然后对比例度进行反复凑试，直至得到满意的结果。如果开始时积分时间和微分时间设置得不合适，则有可能得不到要求的理想曲线。这时应适当调整积分时间和微分时间，再重新凑试，使曲线最终符合控制要求。在设置控制器参数时，可根据过程的特点及实验前知识参数间的关系等预置，开始时，比例度应较大；积分时间较大；微分时间较小，然后，缓慢变化，并观察他的效果，知道满意为止。常见的控制系统的过程特点及控制器参数如下表所示。

表3 控制器参数经验数据

经验整定法适用于各种控制系统，特别适用对象干扰频繁，过渡过程曲线不规则的控制系统，但是，使用此法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员来说，整定所花费的时间较多。

② 响应曲线法

生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡，这时临界比例度法的局限性便体现出来了。这种情况下，我们可以采用响应曲线法来进行PID参数的整定。响应曲线法PID参数整定步骤：

a)在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃变化），记录被控变量的响应曲线；

b)由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取“广义对象”的近似模型与模型参数；

c)根据过程阶跃响应曲线获得过程的增益K、时间常数T和时滞，按计算公式获得控制器参数。柯恩-库恩（Cohen-Coon）数字控制器参数整定见表：

表4  柯恩-库恩（Cohen-Coon）数字控制器参数整定

    ③衰减曲线法

调整比例度，使控制系统过渡过程响应曲线的衰减比为10:1（随动控制系统）得到上升时间（被控变量明显变化到接近第一峰值所需时间）；或4:1（定值控制系统）得到系统的振荡周期Tp，这时的比例度为δs，按表整定P、PI或PID控制器的参数。衰减曲线法特点是衰减比不易读准确，过渡过程较快时更难确定，为此，可认为响应曲线振荡两周半就达衰减比4:1。该方法调整时对工艺过程影响较小。

表5  衰减曲线法控制器参数计算表(4:1衰减比)

衰减曲线法对大多数系统均可适用，且由于试验过渡过程振荡的时间较短，又都是衰减振荡，易为工艺人员所接受。故这种整定方法应用较为广泛。

④临界比例度法

所谓临界比例度法，是在系统闭环的情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据，即临界比例度δs和临界振荡周期，然后利用经验公式求取满足4：1衰减振荡过渡过程的控制器参数。其整定计算公式如表所示。

表6 临界比例度法控制器参数计算(4:1衰减比)

具体整定步骤如下。

1)将控制器的积分时间放在最大值，微分时同放在最小值(0)，比例度δ放在较大值后，让系统投入运行。

2)逐渐减少比例度，且每改变一次δ值时，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅振荡为止。此时的过渡过程称为临界振荡过程，为临界比例度δk，Tk为临界振荡周期。

3)利用δk，Tk这两个试验数据，按表中的响应公式，求出控制器的各整定参数。

4)将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。如果加入干扰后，过渡过程与4：1衰减比还有一定差距，可适当调整δ值，直到过渡过程满足要求。

步骤9.简单控制性能指标

操作目的：根据单回路参数整定过程计算性能指标，对比性能指标和参数整定曲线使学生掌握性能指标知识点，培养学生根据曲线计算性能指标的能力。

操作过程：点击“性能指标”按钮，如图31所示，学生可根据前一步骤参数整定环节，可计算得到学生所做整定环节控制的性能指标。

图31 简单控制性能指标

相关知识点：

一个控制系统在受到外作用时，要求被控变量要平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值。因此，在稳定性、快速性、准确性3个方面提出各种单项控制指标和综合性指标。控制系统的控制性能指标应根据工艺过程的控制要求而定，不同被控对象对控制要求会不同。

1）单项性能指标

系统的单项性能指标包括衰减比、超调量、最大动态偏差、余差、调节时间和振荡频率。

                     （a）随动控制系统                                        （b）定值控制系统

图 32 控制系统性能指标

a）衰减比η，定义为第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比(η=B1/B2），描述控制系统稳定性指标。η恒大于1时，η越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也降低，η接近于1时，控制系统的过渡过程接近于等幅振荡过程；反之，η越大，则控制系统的稳定度也越高，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程衰减比在4:1到10:1的范围内。

b）超调量σ或最大动态偏差e_max，是描述被控变量设定值最大程度的物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。通常采用超调量来表示被控变量偏离设定值的程度，定义是第一个波的峰值与最终稳态值之差，一般超调量以百分数给出，即

c）余差e(∞)，是控制系统进入稳态时设定值与被控变量稳态值之差，即e(∞)=r-y(∞)。余差是反映控制系统稳态准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围，但不是所有的控制系统对余差都有很高的要求。

d）调节时间Ts和振荡频率ω，表示控制系统过渡过程的长短。即控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。调节时间短，表示控制系统的过渡过程快；反之，调节时间长，表示控制系统的过渡过程慢。调节时间是反映控制快速性的一个指标。振荡频率ω是振荡周期T的倒数，满足

在衰减比相同的条件下，振荡频率与间复时间成反比，振动频率越高，因此振荡频率也可作为衡量控制快速性的指标，定值控制系常用振动频率来衡量控制控制系统的快慢。必须说明，这些控制指标在不同的控制系统中各有其重要性，而且相互之间又有着内在的联系。高标准地同时要求满足这几个控制指标是很困难的，因此，应根据工艺生产的具体 要求分清对于主要的控制指标应优先保证。

2）综合控制指标

一般还采用过渡过程中偏差e和时间t的函数在时间轴上的积分性能指标，反映系统的综合性能指标。常用的综合性能指标采用三种表达形式。

a）绝对值误差积分准则IAE

b)平方误差积分准则ISE

c)时间乘绝对误差积分准则

采用不同的偏差积分性能指标意味着对过渡过程优良程度的侧重点不同，所获得的过渡过程的性能要求也不同。例如，ISA最小的系统着重于抑制过渡过程中的大误差，但衰减比很大；ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间过长，但过渡过程振荡激烈。误差积分指标不能都保证控制系统具有合适的衰减比。

步骤10.复杂控制实验预习

操作目的：通过实验原理和实验指南介绍了解复杂控制模块的基本原理，学习A+B→C反应精馏过程的机理模型知识和控制方案，使学生掌握该实验模块相关内容。

操作过程：点击上方“复杂控制”按钮进去复杂控制实验，然后点击左上侧“实验简介”、“实验原理”和“实验指南”完成该实验的预习。

图33 复杂控制实验原理

相关知识点：

复杂控制模块在简单控制模块的基础上进一步进行反应精馏复杂控制过程实验，其过程对象为反应精馏系统。反应精馏过程即为反应器与精馏塔组成复杂过程系统，如图34所示。

图 34  理想反应精馏过程工艺流程示意图

步骤11.复杂控制反应精馏工艺讲解

操作目的：通过动画演示过程了解反应精馏过程的工艺流程，使学生掌握复杂控制实验环节的背景工艺。

操作过程：点击右上方的“复杂控制”按钮，进入该实验。然后点击“被控对象”按钮，进入自动演示状态，如图35所示，向学生介绍反应的工艺过程：

图35 复杂控制反应精馏工艺讲解

整个反应过程由反应器和精馏塔组成。反应器中A+B→C，精馏塔对反应器输出的混合物料分离，得到符合要求的产物C。

首先，将A、B两种物料加入反应器中；

然后，将反应器产物流入精馏塔中；

其次，塔顶流出物D回流到反应器，液位通过进料流量控制；接着，通过控制夹套内冷却液的流量实现反应器的温度控制，被控变量是反应器的温度，操纵变量是冷却液的流量；

最后，实现精馏塔塔釜产物P的物料C浓度控制。该精馏塔将产物C与反应器流出物中未反应的A和B分离，然后将其循环回反应器。

相关知识点：

由反应器和精馏塔组成的反应过程，该精馏塔将产物C与反应器流出物中未反应的A和B分离，然后将其循环回反应器。首先，将A,B先加入反应器中，然后，将反应器产物流入精馏塔中，其次，塔顶流出D回流到反应器，液位通过FA进料补偿流量控制，反应器中涉及的PID控制为B浓度控制，反应器中B浓度由FB进料阀控制，接着，反应器的温度控制是通过控制夹套内冷却液的流量实现的，被控变量是反应器的温度，操纵变量是冷却液的流量，最后精馏塔塔釜产物P的C浓度控制。

图 36 理想反应精馏过程复杂控制系统设计

步骤12.复杂控制仪表与阀门选型

操作目的：通过仪表选型的题目了解反应精馏工艺过程中的主要仪表设备，结合理论更好的掌握相关知识，掌握各种仪表的结构原理和流体特性等方面的知识，培养学生反应精馏过程仪表设计分析的能力。

操作过程：点击“仪表选型”按钮，对A进料流量计、B进料流量计、冷却液流量计、反应器温度计、塔顶回流流量计和塔釜出料流量计，根据控制要求，进行恰当的选型，在完成每一项选型后，系统会提示是否选择正确并直接给出对应分数，图37是A进料流量计的选型界面。

图37 复杂控制仪表与阀门选型

步骤13.复杂控制系统控制器设计

操作目的：通过控制器设计了解反应精馏工艺过程中的“反应器温度控制系统”、“反应器B浓度系统”和“塔釜产物浓度控制系统”多个回路，选择执行机构的形式和控制器正反作用，使学生结合理论更好的掌握控制器知识点，培养学生针对反应精馏过程控制器设计的能力。

操作过程：点击“控制器设计”按钮，本实验要完成三套控制系统的设计，分别是“反应器温度控制系统”、“反应器B浓度系统”和“塔釜产物浓度控制系统”。要求学生针对每套控制系统，根据控制要求确定执行机构的气开、气关形式；控制系统的被控变量和温度控制器的正反作用。如图38是“反应器温度控制系统”控制器设计。

图38 复杂控制多回路控制器设计

步骤14.复杂控制实验开环响应测试

操作目的：根据反应精馏过程的物性参数、工艺流程的结构和操作条件给阀门赋值，观察开环响应曲线，使学生掌握开环测试知识点。

操作过程：点击“开环响应测试”按钮，分别点击 “B进料流量阀开启”、“冷却液流量调节阀开启”和“产物浓度控制调节阀开启”按钮，观察5分钟内的开环响应曲线和3D模型上的参数变化然后分别关闭响应的阀门按钮。系统将自动在实验报告的相应部分生成开环曲线。

图39 复杂控制开环响应测试

步骤15.复杂控制系统自整定

操作目的：根据开环测试计算PID控制参数并赋值，使学生掌握自整定方法。

操作过程：点击“自整定”按钮，如图40所示，学生可根据前面开环响应的所的结果经自整定计算得到合适的参数整定PID初值。

图40 复杂控制系统参数自整定

步骤16.复杂控制实验参数整定

操作目的：对反应精馏过程的多回路分析，根据要求目标值分别设置PID参数，观察响应曲线，调整参数使被控变量达到稳定，使学生掌握多个回路耦合时PID整定方法，培养学生结合理论知识的实操能力。

操作过程：点击“参数整定”按钮，如图41所示，可以切换阀门的手自动模式，手动模式可以进行开环响应测试，切换至自动后，根据实验要求设定目标温度。学生首先改变P的值点击左侧整定后可以得到对应的参数整定评估结果，在获得衰减比在3.5-4.5的响应曲线后根据衰减曲线法进行PID参数整定，学生利用相近的方法，依次完成反应器温度控制回路、塔釜出口浓度控制回路、反应器中B组分浓度控制回路的控制参数整定，观察最后整定成功的结果，记录参数整定页面对应的值。

图41 复杂控制实验多回路参数整定

图42 复杂控制实验多回路动态响应曲线

步骤17.复杂控制性能指标

操作目的：根据多个回路参数整定过程计算性能指标，对比性能指标和参数整定曲线使学生掌握性能指标知识点，培养学生根据曲线计算性能指标的能力。

操作过程：点击“性能指标”按钮，如图43-44所示，学生可根据前一步骤参数整定环节，可计算得到学生所做整定环节控制的性能指标。

图43 反应精馏复杂控制实验多回路性能评价

图44 反应精馏复杂控制实验参数整定回放

步骤18. 提交实验报告

操作目的：根据实验结果的差异，分析产生差异的主要原因，让学生掌握对比分析的方法。

操作过程： 点击“实验报告”按钮，系统会根据前面的实验步骤生成实验报告模板，学生在模板里填写相关信息，上传主观题截图，便可得到对应的实验分数。

另外，如果学生对实验原理或仿真操作有疑问，可点击“资料下载”按钮获取相关教材、实验指导书、教学视频等资料。

步骤19.自主探索创新设计：工业互联网+智能监控APP设计

本虚拟仿真课程可以进一步用于学生课外自主学习，以及过程控制工程课程设计、自动化综合系统实习环节，在平台增加挑战度，加强学生学习投入，自主研发设计，科学“增负”，培养学生勇于创新实践精神，体验“跳一跳才能够得着的”学习挑战。学生在本虚拟仿真课程平台开展醋酸甲酯反应精馏复杂控制系统自主创新设计，部分设计结果如图45-46所示。

图45 醋酸甲酯水解反应精馏工艺与复杂控制系统设计

图46 醋酸甲酯水解反应精馏过程智能PP设计与实现