翟 持，支云飛

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

近年來(lái)，由工業(yè)大數(shù)據(jù)引發(fā)的智能化工建設(shè)越來(lái)越發(fā)受到關(guān)注。智能工廠強(qiáng)調(diào)物理過(guò)程與伴隨的信息流的深度融合及優(yōu)化配置，行業(yè)的發(fā)展不僅需要單一技術(shù)和裝備的突破，更需要系統(tǒng)化的集成與創(chuàng)新[1]。因此，急需高校培養(yǎng)具有寬口徑知識(shí)和現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)的高級(jí)化工技術(shù)人才[2]?！盎瘜W(xué)工程”是傳統(tǒng)工程專業(yè)，但當(dāng)前本科培養(yǎng)存在不可忽視的問(wèn)題，表現(xiàn)在：高校所學(xué)與企業(yè)需求脫節(jié)，授課內(nèi)容陳舊，知識(shí)體系不合理，高層次人才貫通培養(yǎng)困難，培養(yǎng)的學(xué)生專業(yè)方向單一等。

本文討論從過(guò)程系統(tǒng)工程(Process System Engineering,PSE)的觀點(diǎn)出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)輔助手段，將不同專業(yè)知識(shí)融合，以工程案例為推手，系統(tǒng)化呈現(xiàn)知識(shí)[3]。針對(duì)傳統(tǒng)化工人才培養(yǎng)院系分工過(guò)于細(xì)化，筆者探討了推動(dòng)化學(xué)工程與工藝、過(guò)程裝備與控制專業(yè)的交叉教學(xué)，踐行不同院系學(xué)生的交流合作，為培養(yǎng)復(fù)合型人才提供一定的方法基礎(chǔ)及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[4]。

1 化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展過(guò)程

最早的化學(xué)工程(Chemical Engineering,ChE)培養(yǎng)方案是化學(xué)及機(jī)械工程學(xué)科的結(jié)合體，專業(yè)課定位為應(yīng)用及工業(yè)化學(xué)。1915年，美國(guó)麻省理工大學(xué)A. D. Little提出“單元操作”的概念，即將復(fù)雜的化工過(guò)程歸納為若干的單元操作，如閃蒸、精餾、萃取、流體輸送等，這標(biāo)志著ChE發(fā)展成為一門獨(dú)立于化學(xué)、機(jī)械工程的專門的學(xué)科。隨后，教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)集中在過(guò)程的物料、能量守恒及單元設(shè)備計(jì)算上，衍生出熱力學(xué)、化工設(shè)備設(shè)計(jì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)等課程。

ChE所涉單元操作均可進(jìn)一步從介、微尺度(100～0.1 μm)抽象成物質(zhì)、動(dòng)量及能量的傳遞過(guò)程。1960年代形成《傳遞》[5]理論是該學(xué)科發(fā)展的又一個(gè)里程碑。接下來(lái)，基于相似原理的工程放大應(yīng)用到反應(yīng)器設(shè)計(jì)[6]，計(jì)算機(jī)輔助的全流程模擬[7,8]等。這個(gè)階段的ChE逐漸升華成工程科學(xué)(engineering science)，教學(xué)內(nèi)容理論化、抽象化，所涉工程問(wèn)題一般化，ChE不再專指化學(xué)工業(yè)，類似的如冶金、造紙、發(fā)酵等過(guò)程也逐步囊括其中。

隨著ChE課程的理論化、數(shù)學(xué)化，當(dāng)前的教學(xué)普遍面臨縱向不貫通、橫向不系統(tǒng)的教學(xué)困境。顯然，知識(shí)交叉與融合是未來(lái)ChE培養(yǎng)創(chuàng)新人才的著力點(diǎn)。因此，本文探討基于PSE理念的教學(xué)改革，其核心目的是推動(dòng)學(xué)科交叉融合，促進(jìn)理工結(jié)合，推進(jìn)跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)培養(yǎng)工程人才。

2 基于PSE的化學(xué)工程學(xué)科改革

2.1 PSE理念

如圖1所示，化工過(guò)程往往是通過(guò)反應(yīng)獲得目的產(chǎn)物，圍繞著反應(yīng)器需要進(jìn)行原料處理及產(chǎn)品分離，甚至全廠能量管理及供應(yīng)鏈優(yōu)化。化工過(guò)程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要用到熱力學(xué)、化工原理、三傳一反、過(guò)程優(yōu)化，甚至技術(shù)經(jīng)濟(jì)等知識(shí)。更重要地，還需將這些知識(shí)綜合運(yùn)用，并對(duì)具體工程問(wèn)題給出合理的決策。

圖1 化工過(guò)程的系統(tǒng)集成洋蔥圖

化工過(guò)程系統(tǒng)集成是一個(gè)ChE專業(yè)課知識(shí)運(yùn)用和綜合的過(guò)程，圖2給出化工過(guò)程綜合的知識(shí)體系關(guān)系圖。但是，化工過(guò)程的模型化及計(jì)算求解過(guò)程不僅需要運(yùn)用大量的ChE知識(shí)，還需要進(jìn)行數(shù)學(xué)編程等，因此，化工過(guò)程的全流程模擬與分析是極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。Aspen Plus等流程模擬軟件的出現(xiàn)為基于PSE理念進(jìn)行ChE專業(yè)的橫、縱向貫通提供了工具支持。

圖2 化工過(guò)程系統(tǒng)綜合的層次圖

2.2 《化工過(guò)程分析與合成》課程介紹

為串聯(lián)課程知識(shí)，對(duì)ChE專業(yè)建立系統(tǒng)觀，1996年，北京化工大學(xué)、天津大學(xué)等高校修訂培養(yǎng)方案，增設(shè)《化工過(guò)程分析與合成》(Analysis and Synthesis for Chemical Engineering Process,ASCEP)課程，并于2002年出版同名教材[9]。ASCEP是將PSE的理論和方法應(yīng)用于化工領(lǐng)域的交叉學(xué)科。課程基于系統(tǒng)論中演繹與歸納這對(duì)辯證邏輯，分成過(guò)程分析與過(guò)程合成兩個(gè)部分：過(guò)程分析探討化工過(guò)程的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)模擬，是自上而下(top-down)對(duì)化工過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行解構(gòu)；過(guò)程合成探索化工過(guò)程(數(shù)學(xué)上的)最優(yōu)化、基于夾點(diǎn)技術(shù)的換熱網(wǎng)絡(luò)能量集成、分離序列綜合優(yōu)化，是自下而上(bottom-up)對(duì)過(guò)程單元進(jìn)行構(gòu)建。

該課程的目的是訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用之前學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)的能力，將ChE專業(yè)知識(shí)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)程序整合起來(lái)并加以運(yùn)用。以過(guò)程系統(tǒng)為對(duì)象，傳授《系統(tǒng)論》的概念、原理、方法和策略，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)主要矛盾和矛盾主要方面的能力，對(duì)工業(yè)實(shí)際問(wèn)題的綜合、抽象化能力，抽象思維和演繹分析的能力從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

ASCEP課程在整個(gè)課程體系中具有承上啟下的作用，一方面借助Aspen等流程模擬軟件鞏固學(xué)生之前學(xué)習(xí)的化學(xué)工程專業(yè)知識(shí);另一方面激勵(lì)學(xué)生運(yùn)用這些專業(yè)知識(shí)去研究實(shí)際工程問(wèn)題，梳理具體工藝的技術(shù)瓶頸，并利用有限資源和條件對(duì)過(guò)程系統(tǒng)集成優(yōu)化，讓學(xué)生具備整體的觀點(diǎn)和全局優(yōu)化的思想，能夠進(jìn)行過(guò)程系統(tǒng)的操作分析與設(shè)計(jì)，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，乃至工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和能動(dòng)的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.3 PSE理念下的跨學(xué)科教學(xué)改革

早期化工廠的工程人員分為工藝、設(shè)備、儀表等崗位，故高校專業(yè)也相應(yīng)細(xì)化。以筆者所在學(xué)校為例，化工學(xué)院包含化學(xué)工程與工藝、過(guò)程裝備與控制、輕化工及實(shí)驗(yàn)中心，各系之間相對(duì)獨(dú)立。然而，隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，尤其是工業(yè)大數(shù)據(jù)的廣泛運(yùn)用，企業(yè)對(duì)具有寬口徑知識(shí)的復(fù)合型化工人才的訴求日益凸顯。

貫通培養(yǎng)需要跨院系、多學(xué)科的開(kāi)放辦學(xué)，工程師思維的培養(yǎng)，需要從企業(yè)訴求出發(fā)，即基于PSE的眼光看待化工問(wèn)題。傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中工藝、設(shè)備及運(yùn)行管控等部門共同決策的工程問(wèn)題，在未來(lái)智慧工廠可能需要復(fù)合型人才快速?zèng)Q斷。因此，本文基于ASCEP課程設(shè)置(表1)，以精餾塔動(dòng)態(tài)的模擬為出發(fā)點(diǎn)，探討精餾塔工藝、設(shè)備及控制一體化教學(xué)方法。

表1 課程內(nèi)容及課時(shí)安排

本文以典型的精餾過(guò)程為研究對(duì)象，基于ASCEP課程進(jìn)行工藝、設(shè)備及控制相關(guān)知識(shí)的系統(tǒng)化呈現(xiàn)：精餾是一類典型的化工操作過(guò)程(《化工原理》，化學(xué)工程方向)，精餾塔是一類典型的化工設(shè)備(《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》，過(guò)程機(jī)械方向)，而精餾塔的控制是其正常工作的必要條件(《過(guò)程控制工程》，過(guò)程控制方向)。通過(guò)本文精餾過(guò)程仿真平臺(tái)的構(gòu)建，將涉及到精餾的不同專業(yè)知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)，并為不同專業(yè)背景的學(xué)生提供一個(gè)交叉學(xué)習(xí)及交流的平臺(tái)。為便于后續(xù)的仿真平臺(tái)介紹，本章節(jié)簡(jiǎn)要梳理精餾過(guò)程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

3 精餾過(guò)程的跨學(xué)科教學(xué)改革

3.1 精餾所涉課本知識(shí)點(diǎn)

3.1.1 工藝及水力學(xué)設(shè)計(jì)

《化工原理》課程詳細(xì)介紹了逐板計(jì)算法分離理想二組分物系的過(guò)程，是學(xué)生必須掌握的核心知識(shí)點(diǎn)。對(duì)多組分、非理想物系的精餾設(shè)計(jì)，可通過(guò)Aspen Plus計(jì)算獲得[10](《化工過(guò)程模擬》，化學(xué)工程與工藝專業(yè))。假設(shè)原料為500 kmol/h的常溫、常壓物流，且n(苯)∶n(甲苯)∶n(二甲苯)=0.3∶0.4∶0.3，熱力學(xué)方法選取RK-SOAVE，要求塔頂甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.7%，塔釜苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%。通過(guò)Winn-Undrewood- Gilliland關(guān)聯(lián)方法設(shè)計(jì)獲得初步設(shè)計(jì)結(jié)果，并使用RadFrac模塊進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，在回流比為1.21，理論板29塊，進(jìn)料板第17塊時(shí)，達(dá)到分離要求。

確定工藝后，需要對(duì)精餾塔進(jìn)行水力學(xué)核算(《化工原理》，化學(xué)工程與工藝專業(yè))。本例選用泡罩塔，由于回流比僅為1.21，精餾段及提餾段的液相流量差距較大，故采用變徑塔設(shè)計(jì)。通過(guò)表2所示設(shè)計(jì)方案，各塊塔板的水力學(xué)(液泛限，漏液限，塔板壓降，降液管液位/塔間距)校核滿足條件。

表2 變徑塔的設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到上述逐板計(jì)算法采用的是理論板，而實(shí)際精餾的傳質(zhì)推動(dòng)力來(lái)自氣、液相濃差，故使用rate-based迭代計(jì)算來(lái)更新各板的壓降及Murphree效率。經(jīng)核算，精餾段的塔板效率約為66%，提餾段約為89%。最終校核回流比1.23，實(shí)際板數(shù)為37塊，進(jìn)料板為第24塊，此時(shí)的再沸器能耗為5610.3 kW，冷凝器移熱 3846.4 kW，塔頂甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.04%，塔釜苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.96%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其溫度及壓差分布如圖3所示。

圖3 苯塔的液相溫度、壓差分布曲線

3.1.2 塔設(shè)備強(qiáng)度校核

基于上述工藝及水力學(xué)核算，對(duì)該塔進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)[11](《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》，化工過(guò)程機(jī)械專業(yè))。依據(jù)NB/T 47041-2014規(guī)范，選擇材料型號(hào)Q235-B，選用SW6-2011軟件對(duì)塔的橢圓封頭，裙座及殼體進(jìn)行強(qiáng)度核算，確定該塔的名義厚度15 mm，允許內(nèi)壓0.9911 MPa。還需對(duì)變徑塔的風(fēng)載荷及地震載荷進(jìn)行核算，計(jì)算組合應(yīng)力，地腳螺栓及地腳螺栓座核算，焊接接頭核算。最后，根據(jù)GB150.3-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各個(gè)部件的液壓試驗(yàn)、厚度及重量、壓力及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核。

3.1.3 精餾過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬

實(shí)際運(yùn)行的化工過(guò)程往往是隨時(shí)間變化的，需要在了解精餾塔動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。精餾塔動(dòng)態(tài)建?？紤]液位、組分及熱量的時(shí)間累積效應(yīng)，形成多集中參數(shù)系統(tǒng)的常微分方程組，即動(dòng)態(tài)的MESH方程組[7](《化工過(guò)程分析與合成》，化學(xué)工程與工藝專業(yè))。由于本例塔板數(shù)達(dá)到37塊，且相平衡及歸一化條件導(dǎo)致模型復(fù)雜，因此使用計(jì)算機(jī)輔助手段，通過(guò)壓差驅(qū)動(dòng)獲得Aspen Dynamics模型。本文運(yùn)用該動(dòng)態(tài)模型建立基于機(jī)理模型的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精餾過(guò)程控制教學(xué)及仿真實(shí)踐。

3.2 精餾仿真平臺(tái)搭建

基于Aspen Dynamics建立的精餾塔機(jī)理模型，本文利用Matlab/Simulink研究該過(guò)程的輸入-輸出關(guān)系，通過(guò)OPC通訊，實(shí)現(xiàn)該機(jī)理模型與KingSCADA人機(jī)界面交互[12]。學(xué)生在此仿真平臺(tái)下進(jìn)行串級(jí)和解耦控制的操作與運(yùn)用實(shí)踐。

3.2.1 Aspen Dynamics-Simulink連接

運(yùn)用AMSimulation動(dòng)態(tài)鏈接模塊，將精餾塔動(dòng)態(tài)模型與Simulink鏈接，該機(jī)理模型通過(guò)Matlab環(huán)境下的s語(yǔ)言調(diào)用如公式(1)所示。為研究精餾塔的解耦控制(《過(guò)程控制》，過(guò)程裝備與控制專業(yè))，如圖4所示。分別對(duì)該塔的回流量L及塔釜再沸熱量Qr引入±10%與±5%的隨機(jī)擾動(dòng)，獲取模擬數(shù)據(jù)(采樣周期為0.02 h，時(shí)長(zhǎng)10 h)，以模擬實(shí)際工程數(shù)據(jù)。接下來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)辨識(shí)的手段建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，為方便后續(xù)控制運(yùn)用，將系統(tǒng)設(shè)置為一階的:

圖4 苯塔模擬數(shù)據(jù)及訓(xùn)練結(jié)果

TDTB

(1)

進(jìn)一步地為研究回流罐、塔釜的液位控制，用同樣的方法獲取液位及流量關(guān)系，并且訓(xùn)練得到二階系統(tǒng):

(2)

本節(jié)所述過(guò)程的傳遞函數(shù)為后續(xù)基于仿真平臺(tái)的過(guò)程控制的教學(xué)實(shí)踐提供支撐。

基于KingSCADA的精餾塔液位與溫度控制系統(tǒng)，其上位機(jī)包括圖形界面的繪制、變量的定義、基本動(dòng)畫的設(shè)計(jì)、趨勢(shì)曲線配置、數(shù)據(jù)報(bào)表及報(bào)警窗配置、子畫面的繪制等；下位機(jī)通過(guò)OPC技術(shù)與底層的Simulink通訊。

3.2.2 OPC通訊

在本仿真案例，用Aspen Dynamics-Simulink連接生成的數(shù)據(jù)模擬工程現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，OPC提供了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)KingSCADA與Simulink的數(shù)據(jù)讀寫和儲(chǔ)存。其數(shù)據(jù)通信流程圖如圖5所示。通過(guò)OPC通訊技術(shù)將控制算法和人機(jī)界面相連，設(shè)計(jì)好相應(yīng)參數(shù)，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖6展示搭建好的精餾塔控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面，可直接通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)查看控制參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖5 OPC通信流程圖

圖6 基于KingSCADA的苯塔人機(jī)操作界面

OPC度接口將來(lái)自KingSCADA的操控?cái)?shù)據(jù)讀入該仿真系統(tǒng)，而回流罐、塔釜液位及溫度計(jì)算以后獲得的輸出，通過(guò)OPC寫入上層的界面，并且呈現(xiàn)到KingSCADA相應(yīng)的位置。那么，操作該平臺(tái)的同學(xué)可以通過(guò)反饋的信息調(diào)整相應(yīng)的操作及控制輸入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3.3 教學(xué)實(shí)踐

基于上述精仿真平臺(tái)，可以進(jìn)行典型精餾過(guò)程控制的實(shí)踐教學(xué)(《過(guò)程控制》，過(guò)程裝備與控制專業(yè))。筆者所在單位的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中(《工程實(shí)驗(yàn)》，過(guò)程裝備與控制專業(yè))，需要學(xué)生掌握PID、串級(jí)和解耦控制的設(shè)計(jì)、參數(shù)整定及投運(yùn)等，學(xué)生基于此平臺(tái)完成典型的過(guò)程控制實(shí)踐。

3.3.1 苯塔底液位-流量的PID控制實(shí)驗(yàn)

本例分別給出回流罐及塔釜液位-流量的傳遞函數(shù)，因此可以使用PID控制器進(jìn)行兩個(gè)液位的控制。學(xué)生需通過(guò)臨界比例度法或經(jīng)驗(yàn)試湊法確定相關(guān)PID參數(shù)及控制效果。圖7為某同學(xué)的仿真結(jié)果，未使苯塔液位衰減比為4∶1，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行參數(shù)整定，確定未PI控制，且整定得Kp= 6.00，KI=2.00，Kd= 0。

圖7 參數(shù)整定苯塔液位響應(yīng)曲線

3.3.2 回流罐液位-流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

由于容量滯后及閥位-流量響應(yīng)偏差，工業(yè)上液位通常采用串級(jí)控制。本仿真通過(guò)添加液位-壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來(lái)構(gòu)建閥位-流量傳遞函數(shù)，形成串級(jí)控制的副回路。當(dāng)副回路Kp取值較大，副回路快速響應(yīng)，充當(dāng)閥位-流量矯正器。此時(shí)，主回路具有魯棒性。

仿真過(guò)程中，分別在主、副回路中設(shè)置干擾模塊，并研究各回路的抗干擾能力。在副回路采用P控制(Kp=10.00)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，在主回路的整定參數(shù)為Kp=4.80，KI=4.76，Kd=0.40時(shí)，當(dāng)主回路加入擾動(dòng)時(shí)(即打開(kāi)含硫污水排放閥，3 s后關(guān)閉)，由圖8可知，加入擾動(dòng)后液位發(fā)生明顯變化，最大偏差為11.20，約38 s后，重回穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)在副回路加入擾動(dòng)時(shí)(即打開(kāi)回流管中的離心泵，增加冷凝液輸送壓力，使流出量增大，3 s后關(guān)閉)，加入擾動(dòng)后液位發(fā)生較小波動(dòng)，偏差值為1.80，15 s后克服干擾，達(dá)到穩(wěn)定值。

主回路添加擾動(dòng)

副回路添加擾動(dòng)圖8 苯塔回流罐液位-流量控制仿真

3.3.3 精餾塔溫度的解耦控制

工業(yè)上精餾過(guò)程塔頂和塔釜的產(chǎn)品收率及純度是通過(guò)控制溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而精餾塔溫度的控制是一個(gè)典型的多輸入多輸出(MIMO)問(wèn)題。本例討論使用(L,Qr)進(jìn)行塔頂、塔釜溫度控制，方程(1)給出該系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣。如圖9所示，解耦控制通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)仁侄危ㄟ^(guò)矩陣的對(duì)角化，把含有相互關(guān)聯(lián)的多參數(shù)控制轉(zhuǎn)化成相互獨(dú)立的單輸入-單輸出控制過(guò)程。

在Simulink平臺(tái)下，借助Looptune，可以實(shí)現(xiàn)超調(diào)量≤15%，響應(yīng)時(shí)間≤20s及帶寬0.4的自適應(yīng)整定PID，相應(yīng)的解耦控制相應(yīng)如圖9所示，發(fā)現(xiàn)主對(duì)角線上的階躍相應(yīng)占優(yōu)，實(shí)現(xiàn)線下的解耦控制。

圖9 經(jīng)解耦的苯塔階躍響應(yīng)

對(duì)于仿真平臺(tái)上的在線解耦控制，打開(kāi)主界面上的“塔頂/塔底溫度控制系統(tǒng)”按鈕，在此子界面進(jìn)行聯(lián)調(diào)。當(dāng)打開(kāi)非解耦開(kāi)關(guān)，響應(yīng)曲線如圖10所示，設(shè)置TD控制器參數(shù)：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.00；TB參數(shù)為0。發(fā)現(xiàn)僅控制塔頂溫度TD時(shí)，塔底溫度TB也會(huì)受到影響；當(dāng)改變TB的參數(shù)：Kp=3.00，KI=1.00，Kd=0.20，設(shè)定值為20.0。發(fā)現(xiàn)塔頂溫度TD也會(huì)變化。由該仿真結(jié)果可知，非解耦狀態(tài)下，不同輸入均影響的輸出結(jié)果。

圖10 非解耦下苯塔溫度控制的仿真

當(dāng)打開(kāi)解耦開(kāi)關(guān)，響應(yīng)曲線如圖11所示，設(shè)置TD控制器參數(shù)：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.0℃；TB參數(shù)不變。發(fā)現(xiàn)控制塔頂溫度TD時(shí)，塔底溫度TB穩(wěn)定。當(dāng)改變TB的參數(shù)：Kp=2.00，KI=0.80，Kd=0.03，給定值為40.0，發(fā)現(xiàn)塔頂溫度TD不會(huì)變化；當(dāng)TD與TB均處于穩(wěn)態(tài)值40.0時(shí)，先后分別改變兩溫度控制器參數(shù)并將其給定值設(shè)置為60.0。由此可得，在解耦狀態(tài)下，兩回路間的耦合作用被解耦補(bǔ)償器抵消，同時(shí)可知一個(gè)控制回路中若出現(xiàn)擾動(dòng)，另一回路不受影響。

圖11 解耦下苯塔溫度控制的仿真

4 結(jié)論與展望

本文基于精餾塔的仿真平臺(tái)構(gòu)建及使用，探討了潛在的化學(xué)工程、過(guò)程裝備、控制及計(jì)算機(jī)專業(yè)的交叉融合教學(xué)實(shí)踐。將精餾塔工藝核算，設(shè)備尺寸設(shè)計(jì)及校核，串級(jí)、解耦控制等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合，著力推動(dòng)化學(xué)工程與工藝和過(guò)程裝備與控制的交叉專業(yè)教學(xué)。通過(guò)該平臺(tái)的串聯(lián)，不同專業(yè)背景的學(xué)生以小組為單位，通過(guò)工程項(xiàng)目的推進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)已學(xué)知識(shí)的加深鞏固，并且開(kāi)拓視野，進(jìn)一步學(xué)習(xí)更多的“工程經(jīng)驗(yàn)”，這有助于學(xué)生學(xué)以致用，能積極培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的工程師思維。教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)所涉及的工程項(xiàng)目表現(xiàn)出極大的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，通過(guò)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、相互學(xué)習(xí)，極大促進(jìn)他們自主思考的能力，為“智能化”人才培養(yǎng)提供一定的思路和借鑒。