精馏塔模糊解耦控制的研究-控制工程硕士论文

西安科技大学 硕士学位论文 精馏塔模糊解耦控制的研究 姓名：赵静 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王再英 2011 论文题目：精馏塔模糊解耦控制的研究 专 业：控制理论与控制工程 硕 士 生：赵 静 （签名） 指导教师：王再英 （签名） 摘 要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作应用越来越广泛。精馏塔是石化工业中一种常 见的分离设备， 主要用于多组分混合物料的分离过程。 精馏塔是一个高耗能的生产装备， 而且是石化生产过程控制的重要控制对象，一直受到控制领域的密切关注。 精馏塔参数之间的耦合作用是影响精馏生产过程和产品质量的主要因素之一。 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，其精确的数学模型难以 建立，传统的控制方法对于精馏塔解耦控制难以取得满意的控制效果。本文以双组份精 馏塔为研究对象，针对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 特性和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。塔顶和塔底温度解耦控制采用前馈补偿解耦法，通过对解耦环节的分析，设计模 糊前馈控制器及相应的模糊控制规则，对模糊控制进行清晰化处理后，实现模糊解耦控 制。 最后通过对塔顶和塔底温度的常规控制、常规解耦控制、模糊解耦控制进行了设定 值扰动测试、过程扰动测试仿真研究。比较模糊解耦控制与常规控制（不解偶） 、常规 解耦控制的仿真结果，验证了塔顶和塔底温度模糊解耦控制的可行性，表明模糊解耦优 于常规控制和常规解耦控制。设计的模糊解耦控制器显示出具有良好的应用前景。 关 键 词：精馏塔；模糊控制；解耦控制；前馈补偿解耦 研究类型：应用研究 Subject : Study of Fuzzy Decoupling Control in Column Specialty : Control Theory and Control Engineering Name : Zhao Jing (Signature) Instructor : Wang Zaiying (Signature) ABSTRACT With the rapid development of the petrochemical industry, distillation operation is used more widely. The column is a kind of common separation equipment in petrochemical industry, mainly for the separation process of mixed materials. The column is a high energy production equipment and it that has been concerned in the control areas is the important control object in the petrochemical process control. The coupling between the column parameters affecting distillation production process and product quality is one of the main reasons. Distillation process belongs to multivariable and time-varying, strong coupling and non-linear process with distributed parameter, that the accurate mathematical model is hard to set up. Traditional control method for the column decoupling control is difficult to obtain satisfactory control effect. In this paper, Based on the column of two-component as research object, the product of tower and the bottom all needs to reach certain purity requirements, on the analysis of working characteristic of the column and the temperature coupling characteristics of the tower and bottom, was presented based on the temperature fuzzy decoupling control scheme for tower and bottom. Top and bottom temperature decoupling control adopts feed-forward compensation decoupling method, through to the decoupling link analysis, design fuzzy feed-forward controller and the corresponding fuzzy control rules and biaxial streching processing for fuzzy control to realize fuzzy decoupling control. Finally, the conventional temperature control, conventional decoupling control, fuzzy decoupling control for top and bottom set disturbance value test, simulation study of the process disturbance test. The simulation result of fuzzy decoupling control compared with conventional temperature control and conventional decoupling control verify the feasibility of fuzzy decoupling control for temperature of the top and bottom that is superior to conventional control and conventional decoupling control. The fuzzy decoupling controller shows a good prospect. Key words : Column Fuzzy control Decoupling control Feed-forward compensation decoupling Thesis : Application Research 1 恊论 1 1 绪论 1.1 论文研究的目的和意义 精馏是石油、化工生产中应用极为广泛的分离装置，其目的是将混合物中各组分分 离，达到规定的纯度1。例如，石油化工生产中的中间产品裂解气，需要通过精馏操作 进一步分离成纯度要求很高的乙烯、 丙烯、 丁二烯及芳烃等化工原料。 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 离的目的。 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2。精馏塔是 精馏过程的关键设备。精馏塔从结构上分，有板式塔和填料塔两大类。而板式塔根据结 构不同、又有泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等等，各种塔板的 改造趋势是提高设备的生产能力，简化结构，降低造价，同时提高分离效率，填料塔是 另一类传质设备，它的主要特点是结构简单，易用耐腐蚀材料制作，阻力小等，一般适 用于直径小的塔。 在实际生产过程中，精馏操作可分为歇间精馏和连续精馏两种，对石油化工等大型 生成过程，主要采用连续精馏。 由于所分离的物料组分不断增多，对分离产品的纯度要求也不断提高，这就对精馏 的控制提出了更高的要求。此外，对于精密精馏，由于所分离产品的纯度要求很高，若 没有相应的过程控制与其配合，就难于达到预期的效果。因此，精馏塔是过程控制的重 要控制对象，一直受到控制领域的关注。 精馏塔由多级塔盘组成，内在工作机理复杂。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，精馏塔是一个多参数的被控过程；不 同工艺要求的精馏塔结构不相同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制方案繁多； 另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对困难。只有对生产工艺进行深入分析，才能设 计出合理的控制系统3。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 1.2.1 国内发展现状 精馏是化工中首选的分离过程，虽然有许多优点，但是能耗特别大，为节能，国内 外已研制出一些节能型耦合精馏塔：像反应与精馏耦合的塔、精馏与其他分离过程耦合 西安科技大恘硕士恘位论文 2 的塔（吸附-精馏耦合、结晶-精馏耦合等） 、精馏-精馏耦合塔、热耦精馏塔、内部热耦 合精馏塔、分隔壁精馏塔4。 国内已有高校研究并有文章关于节能型的精馏耦合塔，但尚未发现分隔壁精馏塔 (DWC)研究机构和应用单位。DWC 是在精馏塔内部设一垂直隔板，将精馏塔分成上段、 下段、及由隔板分开的精馏进料段及中间采出段四部分。由于 DWC 与热耦精馏分离的 原理及计算方法是一致的，DWC 在热力学上等同于一个热耦精馏塔, 比传统的两塔系 统节约了 30%的投资费用。 因此有人把 DWC 归为热耦精馏塔的特例,但因 DWC 比热耦 精馏塔少一台精馏塔及相应管路，因此投资及占地面积比热耦精馏塔少。 DWC 分离 3 组分混合物时，只需 1 个精馏塔就可得到 3 个纯组分，这就节省了 1 个精馏塔及其附属设备，如再沸器、冷凝器、塔顶回流泵及管道。虽然 DWC 比原有 2 塔流程的每个精馏塔大，但总的设备投资会降低许多。DWC 是热力学上最理想的系统 结构，在分离 3 组分混合物时，用相同的理论板数，完成同样的分离任务，采用 DWC 比传统的两塔流程需更少的再沸热量和冷凝量，对于某些给定的物料，分隔壁式精馏塔 和常规精馏塔相比需更小的回流比，故操作容量增大，节能最高可达到 60%以上，可省 设备投资 30%。DWC 能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制5,6。 国内仅发现德国、瑞典、日本在中国申报隔离壁精馏塔的专利 4 篇，其中 2 篇为应 用发明专利，另 2 篇是结构的发明专利。曾有国外工程公司到扬子石油化工股份有限公 司等处推销过 DWC 产品。到目前为止，在国内尚未发现 DWC 研究机构和应用单位， 也没发现 DW 的研究文章。我国在石油化工及天然气化工领域的能耗比国外大，占石 油化工及天然气化工能耗 70%80%的老式精馏操作是有过度耗能之嫌的。在扩大精馏 生产或投资新厂时应考虑应用 DWC。 1.2.2 国外发展现状 EricW.Luster 于 1933 年因裂解气分离已提出 DWC 的概念7，并报有美国专利 US1915681。国外的 DWC 研究自能源危机后开始活跃。在能源危机前的科技条件下， 由于两个精馏塔的控制条件被并到了 1 个 DWC 中,塔的控制条件增加了， 控制回路增加 及机械加工等问题，DWC 无法实现大生产。现在科技已高度发达，DWC 回路控制及机 械加工已不成为问题。但精馏的节能却成为相当严重的问题。因此，国外的 DWC 研究 自能源危机后益越活跃。1985 年以来，BASF 公司、Kellogg 重工等几大公司已开始使 用 DWC。世界上已有 40 座以上 DWC 进行了商业运行。 国外除了已工业化的应用 DWC 外，对 DWC 的结构也进行了广泛的研究。现在的 DWC 设备已从一开始将隔板焊在塔上发展到可移动的隔板，对大直径的塔，垂直隔板 可变为特殊设计的易于安装的入孔大小的部件。 还有适用于特殊需要的偏离中心位置的 垂直隔板。对塔的安装方式、塔板放置位置及角度等方面都有专利报道。 1 恊论 3 采用 DWC 分离各类物系的研究也在不断深入，国外已设计分隔壁式精馏塔已应用 于新的合成直链烷基苯的路线中，节约了该过程中分离部分 9%的能量。还开发了抽提 蒸馏与分隔壁式塔器技术相结合的工艺，从重整生成油或加氢热解汽油回收苯。它取消 了汽提塔。精馏、汽提和溶剂回收均在一座分隔壁式精馏塔中进行。投资比常规抽提蒸 馏装置节减 20%。此外, 国外的 DWC 还用于四氢呋喃、丁酮与丁二醇、丙烯与丁烯、 丙烯与己烯、环戊烷、环戊烯等物质合成过程的分离。在 US6540907 中，Towler 等人 还提出了 FCC 的石脑油用 DWC 直接脱硫工艺8。 就像催化精馏一样，不同的物料，不同的工艺都可以申报专利。采用 DWC 分离各 类物系， 不同的工艺等也都可以申报专利。 经我查阅得: 19762001 年内， 已公开的 DWC 美国专利仅有 33 篇；而 20012004 年半中已申请的 DWC 美国专利就已有 31 篇；其 中近一年中申请的美国专利就占 21 篇。发展势头很像当年的催化精馏，DWC 的应用面 将越来越广。 1.3 论文研究所完成的主要工作 本文根据精馏塔要在塔顶和塔底的产品均需达到一定质量指标， 且克服扰动对生产 过程的影响，保证生产过程安全、高效地连续进行入手，采取了精馏塔塔顶和塔底两端 产品质量控制系统方案。 针对精馏过程中精馏塔塔顶和塔底两个温度控制回流存在较强 耦合，提出一种精馏塔模糊解耦控制的设计和实现方法。 本文作者在认真阅读大量的国内外文献的基础上，具体做了以下的工作： （1）设计了精馏塔模糊解耦控制系统，此系统包含了模糊控制环节和解耦环节。 模糊控制环节由两个模糊控制器组成，模糊控制器的输出为解耦环节的输入，解耦环节 采用前馈补偿解耦设计。 （2）设计模糊控制器，采用二维模糊控制器，确定输入输出变量及其论域并确定 其参数（量化因子或比例因子） ，并采用适当的隶属度函数将其模糊化。 （3）总结了采用常规控制时，现场的控制经验和控制效果，并且参考了长期从事 精馏塔控制工作的专家和操作人员的知识和经验。 （4）进行了模糊推理和解模糊化，设计模糊控制器的控制规则，解决了模糊控制 器实时计算量大，速度慢等问题。 （5）设计解耦环节，采用前馈补偿解耦环节实现二变量的解耦。模糊解耦控制系 统能在较大程度上消除塔顶和塔顶两个温度控制环节的耦合。 （6）模糊解耦控制系统仿真。建立了数学模型，以 MATLAB 为仿真平台，进行仿 真，分析模糊解耦控制系统的动态特性和稳态特性。通过模拟仿真，并对比常规解耦控 制和常规温度控制仿真结果，验证了本文所采用模糊解耦控制的可实现性。 西安科技大恘硕士恘位论文 4 1.4 本章小结 本章主要阐述了论文研究的目的及意义以及目前精馏塔过程控制问题的研究进展 情况，并对国内外学者的研究概况进行了综述，最后对论文所完成的具体工作做了一个 简要的介绍。 2 精馏塔控制系统 5 2 精馏塔控制系统 2.1 概述 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，4050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， 一直受到控制领域的关注9。 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10。精馏塔从 结构上分，有板式塔和填料塔两大类，而板式塔根据结构不同又有泡罩塔、浮阀塔、筛 板塔、穿流板塔、浮喷塔、浮舌塔等等。填料塔是另一类传质设备，它的主要特点是结 构简单，易用耐腐蚀材料制作，阻力小等，一般适用于直径小的塔。图 2.1 表示精馏塔 物料流程图。进料 F 从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板就称为进料板。进料 板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提馏段。 精馏塔由多级塔盘组成，内在工作机理复杂。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，精馏塔是一个多参数的被控过程；不 同工艺要求的精馏塔结构不相同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制方案繁多； 另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对困难。只有对生产工艺进行深入分析，才能设 计出合理的控制系统。 图 2.1 精馏塔物料流程示意图 西安科技大恘硕士恘位论文 6 2.1.1 精馏塔的控制悹求 精馏塔的控制目标是11：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗 最低，即总收益最大，成本最小。为了保证精馏生产过程安全、高效的连续进行，精馏 塔自动控制系统应当满足以下几方面的要求： （1）保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另 一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为 质量参数进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制需要能直接测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后 小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大数情况下，精馏塔自动控制系统是 通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量控制， 即用温度控制系统代替质量控制系 统。 （2）保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，因设法将原料进塔之前的主要可控干扰预先克服，同 时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷却剂的压力控制、进 料量的均匀控制系统等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔 的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使其和等于进料量，两个采出量变化要 缓慢，以保证精馏塔平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压 力稳定也是精馏塔平稳运行所必需的。 （3）满足约束条件 为保证精馏的产品质量和生产过程的正常进行， 必须满足一些参数的极限值所限定 的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制，流速过高易产生液泛；流速过低，会 降低塔板效率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格限制。通过测量 和控制塔底与塔顶间的压差，间接实现塔内气体流速的检测与控制。精馏塔本身还有最 高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。 （4）节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量消耗。另外，塔和 附属设备及管道也要散失一部分能量。 精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回 收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的 前提下，应使产品产量尽量高一些，能量消耗尽可能低一些。 2 精馏塔控制系统 7 2.1.2 精馏塔的扰动愁素 影响精馏塔的操作因素很多，和其他化工过程一样，精馏塔是建立在物料平衡和热 量平衡的基础上操作的，一切因素均通过物料平衡和热料平衡影响塔的正常操作。影响 物料平衡的因素主要是进料流量、进料组分和采出量的变化等12,13。影响热量平衡的因 素主要是进料温度（或热焓）的变化，再沸器的加热量和冷凝器的冷却量变化，此外还 有环境温度的变化等。同时，物料平衡和热料平衡之间又是相互影响的。 （1）进料流量的波动 进料量的波动通常是难免的。如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则可采用定值 控制。但是，精馏塔进料量往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料 量恒定， 就必须要设置中间贮槽进行缓冲。 现在精馏工艺是尽可能减小或取消中间贮槽， 采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量比较平 稳，避免的剧烈变化。 （2）进料成分的变化 进料成分是由上一道工序出料或原料情况决定的，对精馏塔来讲，它是不可控的扰 动因素。 （3）进料温度和进料热焓的变化 进料温度和状态对塔的操作影响很大。一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进 料温度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时采用进料温度控 制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值稳定。当进 料是汽液两相混合状态时， 只有当汽液两相的比例恒定时， 恒温进料的热焓值才能恒定。 为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。 （4）再沸器加热剂输入热量的变化 当加热剂是蒸汽时， 通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸汽压力变化所引 起的。 这一扰动可以通过在蒸汽总管设置压力 （或流量） 控制来加以克服， 或者通过 （塔 盘）温度串级控制系统的副回路予以克服。 （5）冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的。 这个热量的变化 会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。冷却剂的温度 一般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动的引起，可采用与克服加热剂压力变化 类似的方法进行控制。 （6）环境温度的变化 环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气骤变及昼夜温差对精馏塔的 运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化。对这种干扰可采用内回流控制的方法 西安科技大恘硕士恘位论文 8 予以克服。内回流是指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量。内回流控 制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。 通过上面的分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰， 一般是不可控的。其它干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克服或抑制。各种 精馏塔的工作情况不尽相同，需根据实际情况作具体分析。 2.1.3 精馏塔被控变量的恒择 精馏塔被控变量的选择，主要是讨论质量控制中被控变量的确定，以及检测点的位 置等问题。通常，精馏塔的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信 号14。对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常 用温度作为被控变量。对于多元精馏塔，由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化 合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小，因此， 绝大多数精馏塔仍采用温度作为间接质量指标， 采用温度作为间接质量指标的前提是塔 压恒定。 2.2 精馏塔控制方案 使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。 控制系统通过对生产过程 工艺参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续的进行。不 同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求各不相同，因而精溜塔控制方 案较多。 2.2.1 提馏段参数控制 当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标15，这时可选 提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸汽流量为控制变量。另外，液相进料时 也常采用这类方案， 这是因为在液相进料时， 进料量 F 的变化首先影响到塔底产品浓度， 而塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化。 提馏段温度控制系统具有如下特点： （1）以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。 在以塔底采出液为主要产品，对塔底产品成分的要求高于对塔顶流出液成分的要求时， 往往采用提馏段温度控制方案。 （2）当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要引 起提馏段和塔底的参数变化， 故用提馏段温度控制比较及时， 动态相应过程也比较迅速。 采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的情况下，塔顶产品的质也可以保持 在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔顶严格，仍可采用提馏段温度 2 精馏塔控制系统 9 控制系统。 2.2.2 精馏段参数控制 当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这 时可选精馏段某点温度作为被控参数（间接反映塔顶采出液的纯度） ，以回流量 QL 作 为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。串级控制系统虽较复杂，但 可迅速而有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀特性的要求，有较高的控制精 度。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大时，塔底产品的纯度变 化范围也不大。 精馏段温度控制系统有如下特点16,17： （1）用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。 在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度要求高于对塔底产品成分的要求 时，往往采用精馏段温度控制系统方案。 （2）当干扰首先进入精馏段，例如在气相进料时，进料产生的干扰首先引起精馏 段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态相应比较迅速。 （3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等于干扰对回 流量的影响有较强的抑制，可实现被控参数的高精度控制。 以提馏段温度(或精馏段温度)作为衡量质量指标的间接被控参数，当分离的产品纯 度较高时，塔底 (或塔顶温度)变化很小。为了及时、精确的检测和控制产品质量，要求 温度检测仪表有很高的测量精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上（或塔顶以 下）的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。 所谓灵敏板，是指出现扰动时，温度变化最大的那块塔板。以灵敏板温度作为被控参数 有利于提高控制精度。 2.2.3 塔顶与塔底两端产品质量控制 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。采用两个产品质量控制的主要原因，是使操作接近规格限，从而 使操作成本特别是能耗降低。 图 2.2 为塔顶和塔底产品质量都需要控制的产品质量控制方案。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。 辅助控制回路实现对塔底液位、回流罐液位、进料流量等辅助参数和扰动因素的控制； 当控制精度要求较高或加热蒸汽压力、回流罐压力与液位波动较大时，可以流量为复参 西安科技大恘硕士恘位论文 10 数构成串级控制系统，以提高控制品质。 图 2.2 两端产品质量控制系统示意图 2.2.4 按产品成分或物性的精馏塔直接控制 前面讨论的精馏塔温度都是通过间接参数控制产品质量的方法18,19。如果能利用成 分分析仪表（例如红外分析器、色谱仪、密度计、干点与闪点以及补馏点分析器等） ， 直接检测塔顶（或塔底）的产品成分作为被控参数，用回流量（或再沸器加热量）作为 控制变量，组成成分控制系统，可实现按产品成分的直接控制。 塔顶或塔底产品的成分能直接体现产品的质量指标。但是，当分离的产品较纯时， 在邻近塔顶、塔底的各塔板之间的成分差异已经很小了，而且每块塔板上的成分在受到 干扰后变化也很小，这就对检测成分仪表的灵敏度提出了很高的要求。目前，成分分析 仪表精度较低，控制效果往往不够理想，这时可像温度控制时一样，选择灵敏板的成分 作为被控参数进行控制。 按产品成分的直接控制方案是最直接，也是最有效的。但由于目前成分参数测量仪 表的准确度较差、滞后时间较长、维护比较复杂，使其在控制系统的使用受到限制。现 在这种方案使用还不普遍，但在成分分析仪表性能得到改善以后，按产品成分的直接质 量控制将是精馏塔控制的发展方向。 2.3 精馏塔的解耦控制 本文所采取的是塔顶与塔底两端产品质量控制方案。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 2 精馏塔控制系统 11 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，塔顶和塔底两个控制系统之间存在着密切的关联。当控制系统间关联不 严重时，可以通过调节器参数整定，使两个回路间的工作频率相差大一些，减弱两个回 路的关联。在控制系统间密切关联，塔顶、塔底产品的纯度要求较高的情况下，必须设 计解耦环节对两个控制系统进行解耦。 2.3.1 精馏塔温度控制系统的耦合现象 图 2.2 中20，被控参数分别为塔顶温度 T1和塔底温度 T2；控制变量分别为回流量 和加热蒸汽流量。T1C为塔顶温度控制器，它的输出 u1控制回流调节阀，调节塔顶回流 量 QL，实现顶温度 T1的控制。T2C为塔底温度控制器，它的输出 u2控制再沸器加热蒸 汽调节阀，调节加热蒸汽流量 Qs，实现塔底温度 T2 的控制。显然，u1 的变化不仅仅影 响 T1（二者之间的关系用传递函数 G11(s) 表示） ，同时还会影响 T2（u1对 T2的影响用 传递函数 G21(s)表示） ；同样，u2的变化在影响 T2（二者之间的关系用传递函数 G22(s) 表示）的同时，还会影响 T1（u2对 T1的影响用传递函数 G12(s)表示） 。这两个控制回路 之间存在耦合，耦合关系如图 2.3 的框图所示。 图 2.3 两端产品质量控制系统框图 如果两个被控过程之间严重耦合，常规控制系统的控制效果很差，甚至根本无法正 常工作。为此，必须采用解耦措施，消除被控过程变量、参数间的耦合，使每一个控制 变量的变化只对与其匹配的被控参数产生影响， 而对其它控制回路的被控参数没有影响 或影响很小。 这样就把存在耦合的多变量控制系统分解为若干个相互独立的单变量控制 系统。 西安科技大恘硕士恘位论文 12 2.3.2 两端产品质量解耦控制 本文所采用的是前馈补偿解耦设计21,22。设计如图 2.4 所示的两端产品质量解耦控 制系统。回流量的变化只影响塔顶组分，回流量对塔底组分的影响可通过解耦环节 N21(s)，使蒸汽阀门及时动作予以补偿；同样，蒸汽量的变化只影响塔底组分，而它对 塔顶组分的影响通过另一个解耦环节 N12(s)，使回流阀预先动作，予以补偿，从而实现 了两端产品质量的解耦控制。 图 2.4 两端产品质量解耦控制图 传统解耦方法主要适用于线性定常 MIMO 系统。以经典控制理论和现代频域法为 主包括对角矩阵法、 相对增益分析法、 特征曲线分析法、 状态变量法、 逆奈氏阵列法(INA) 等，目前发展的也相对比较成熟23。其中由 Bristol 提出的相对增益分析法和有 Bolsenborm.Hood 和钱学森提出的对角型解耦法组成24。 其基本思想是:设计一个适当系 统使得被控的 MIMO 系统输入变量与输出变量之间的系统传递函数成为对角矩阵。这 种方法除可以解耦外，还能改变各个控制通道特性。MIMO 线性时不变系统反馈解耦的 充要条件，这种方法通过把系统的闭环极点配置为期望值从而实现解祸目的24,25。但这 些解耦理论和设计方法都是建立在严格的传递函数或状态空间模型的基础上， 辅助设计 的工作量很大，而且往往难以实现动态解耦，不具有广泛适应性。系统辨识所得的一阶 CARMA 模型构造近似的前馈解耦补偿器，进行动态解耦，结构简单，计算量少，适宜 实时控制使用。当它与在线递推辨识结合使用，则具有自适应动态解耦效果。但由于被 控过程往往具有纯滞后和单位圆外的零点，因此解耦补偿阵存在着可实现的问题，当被 2 精馏塔控制系统 13 控过程发生工作点变化时，很难保证控制品质，甚至导致系统不稳定而且系统的鲁棒性 也难以保证26,27。 智能解耦是近些年兴起的解耦控制方法，在解决非线性系统方面具有独特的优势， 可以实现线性系统和非线性系统的在线精确解耦。 现有的智能解耦主要包括神经网络解 耦控制和模糊解耦控制。 2.4 本章小结 本章主要介绍精馏塔的控制方案和精馏塔的控制要求以及其扰动因素的分析。 在几 种控制方案中， 本文采用精馏塔塔顶与塔底两端产品质量控制系统即精馏塔温度控制系 统。针对此系统的两个温度控制回路存在耦合的情况下，必须设计解耦环节对两个控制 回路进行解耦。 西安科技大恘硕士恘位论文 14 3 模糊解耦控制理论 3.1 模糊控制概述 模糊控制就是建立在人类思维的模糊性的基础上，它与传统控制有着本质的区别 28,29。它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那 样需要用矩阵表示的状态方程。所谓模糊控制，就是在控制方法上应用模糊集合论、模 糊语言变量及模糊逻辑推理知识来模拟人的模糊思维方法， 以便能对某些无法用精确数 学模型描述的对象或过程进行成功的控制。 人们希望把熟练操作人员的经验总结成一些 规则，并根据这些规则设计成控制器。由于人的经验一般是用自然语言表达的，因此， 基于经验的规则也是模糊的、语言性的。然而，运用模糊集合论、模糊语言变量及模糊 逻辑推理的知识，可以把这些模糊的语言规则上升为数值运算，从而能利用计算机完成 对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对某些对象或过程进行自动控制的目的，这 就是模糊控制的基本思想。 即模糊控制的核心是它用具有模糊性的语言条件语句作为控 制规则去执行控制。这里的控制规则往往是由对被控对象十分熟悉的专业人员给出的， 所以模糊控制从本质上来说是一种专家控制。这种控制规则充分反映了人的智能活动。 1974 年，英国学者 E.H.Mamdani 把模糊控制器用于蒸气机的控制30，从而开创了 模糊控制的历史。经过二十多年的发展，模糊控制的研究大致经历了两个阶段，即简单 模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。前者的模糊控制器主要采用 CRI 推理法，在推 理中采用 Mamdani 提出的蕴含关系公式，对控制器的算法都采用脱机处理的方法，在 微型计算机系统上把控制器上的推理过称作成控制表，在实际中则用控制表去控制。这 个阶段的模糊控制器的结构比较死板，自适应能力和鲁棒性都有限，控制精度也不高。 现在的模糊控制器已发展到自我完善阶段，己经出现了具有参数自调整、自组织、自学 习等功能的模糊控制器。 模糊控制在实践应用中与传统控制相比有以下几个引人注目的特点31,32： （1）无需事先知道被控对象的精确数学模型，所以，它可以对那些数学模型难以 求取或无法求取的对象进行有效控制。 （2）由于控制是以人的经验总结出来的条件语句表示的，所以对一个不熟悉模糊 控制理论的人来说，学习和掌握模糊控制的方法也是很容易的。 （3）由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理， 从而有系统处理的灵活性和机动性。 一个典型的模糊控制系统的结构如图 3.1 所示。它由给定输入、模糊控制器。对象、 反馈信号以及比较环节组成。而一个模糊控制器通常由三部分组成，即模糊化部分、模 3 模糊解耦控制理论 15 糊推理部分及反模糊化部分或清晰化部分，如图 3.2 所示。各部分的功能大致为：模糊 化部分把系统的偏差从数字量转化为模糊量： 模糊推理部分对模糊量按照一定的规则进 行推理；反模糊化部分把推理出来的结果转化为可用于实际控制的数字量。 图 3.1 模糊控制系统 图 3.2 模糊控制器 3.2 模糊控制系统的组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控制系统的组成类似于一般 的数字控制系统33。如图 3.3 是模糊控制系统组成。 * e 图 3.3 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分34,35: （1）模糊控制器 实际上是一台计算机，根据控制系统的需要，既可选用系统机，又可选用单板机或 单片机。它实现控制过程中所需的各种模糊算法，是控制系统的“智能”部分。如图 3.4 是模糊控制器组成方框图。通常包括输入量模糊化接口、数据库、规则库、模糊推理机 和输出量解模糊接口等五个部分。 西安科技大恘硕士恘位论文 16 图 3.4 模糊控制器结构框图 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模 糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。模 糊控制器(Fuzzy Controller)也称为模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller)，由于其所采 用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语 言型控制器，故也被称为模糊语言控制器(Fuzzy Language Controller)。 （2）输入/输出接口装置 模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量， 并将模糊控制器决策的 输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 （3）广义对象 包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可 以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的，或强干扰等多种情况。被控对象缺乏精确 数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可 以采用模糊控制方案。 （4）传感器 传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号(模拟量或数字量)的一类 装置。被控制量往往是非电量，如:出口风压、压力、浓度、湿度等、传感器在模糊控制 系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选 择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。 3.3 模糊控制系统的基本原理 要实现语言控制的模糊逻辑控制器，就必须了解三个基本问题36，第一个是先通过 传感器把要监测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转换成精确的数字量。精确 输入量输入至模糊控制器后， 首先要把这精确的输入量通过模糊集合的隶属函数转换为 3 模糊解耦控制理论 17 模糊数，这一步为精确量的模糊化，其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和 操作的变量格式。 第二个问题是根据有经验的操作者或者专家的经验制订出模糊控制规 则并进行模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集合，即一个新的模糊隶属函数，这一步 称为模糊控制规则形成和推理，其目的是用模糊输入值去选配控制规则，为每个控制规 则确定其适配的程度。并通过加权计算合并那些规则的输出。要解决的第三个问题是根 据模糊逻辑推理得到输出模糊隶属函数， 用不同方法找一个具有代表性的精确值作为控 制量。 这一步称为模糊输出量的解模糊判决， 其目的是把分范围概括合并成单点输出值， 加到执行器上实现控制。 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量、模糊推理逻辑为基础的一种计算机 数字控制。 它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。 模糊控制技术是一种由模糊数学、 计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术。 3.3.1 精确输入量的模糊化 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能适用于模糊控制器的求解， 因此模糊化接口 实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将确定的输入量转换成一个模糊矢 量。 通常控制总是用系统的实际输出值和设置的期望值相比较，得到一个偏差值 E，控 制器根据这个偏差值来决定如何对系统加以调整控制， 很多情况下还需要根据该偏差的 变化率 EC 来进行综合判断。无论是偏差还是偏差的变化率，它们都是精确的输入值， 要采取模糊控制技术就必须首先把它们模糊化。每个输入值都对应一个模糊集合。某一 范围连续变化的值就可有无限多个模糊集合，这在工程中是无意义的，为了便于工程实 现，通常把输入变量范围人为地定义成离散的若干等级。所定义的级数多少取决于所需 输入量的分辨率，定义输入量的隶属函数可采用高斯形、梯形、三角形函数。理论上说 高斯形最为理想，但是计算复杂。实践证明，用三角形和梯形函数其性能并没有太大的 差别，为简化计算，较多地采用三角形，其次是梯形37。 为了实现模糊控制器的标准化设计， 目前实际中常用的处理方法是把输入量的变化 范围设定为-6 6，区间连续变化量使之离散化，构成 13 个整数元素的离散集合。 -6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 在实际工作中，精确输入量的变化范围一般不会是在-6,+6之间，如果其范围是在 a b之间的话，可通过变换 + = 2 12ba x ab y 将在a b之间变化的量转换为在-6 6之间变化的变量， 然后对这一语言变量进行取 值，习惯上可分为七个等级: 西安科技大恘硕士恘位论文 18 “正大”(PB):可取在+6 附近 “正中”(PM):可取在+4 附近 “正小”(PS):可取在+2 附近 “零” (ZE):可取在 0 附近 “负小”(NS):可取在-2 附近 “负中”(NM):可取在-4 附近 “负大”(NB):可取在-6 附近 表 3.1 是离散化的模糊变量表，表中的隶属度可根据具体情况而定，并在实验中加 以调整。表中的等级也可取五个等级 PL, PS, Z0, NS, NL。减少等级后，模糊控制规则少 了，但分辨率也降低了，反之，增加等级数，控制分辨率提高，但规则数增加。 表表表表 3.1 离散化的模糊变量离散化的模糊变量离散化的模糊变量离散化的模糊变量 实际系统中，对观察量的测量要做到十分精确是非常困难的，它通常包括有各种噪 声，如传感器、指示仪表、环境变化等因素干扰。用模糊量来表示要比精确量表示更为 确切， 它能表示的信息量更大， 而且随着模糊化等级总数增多和隶属度函数的确切描述， 模糊量同样能反映相应的精确量与其特征。 3.3.2 模糊规则推理 通常把基于不精确的、不绝对清晰的或不完全的信息基础上的推理，称为不确定性 推理38,39。同时，又把针对模糊系统的不确定性推理方法称为模糊推理方法。因此，模 糊推理是一种近似推理，是以模糊条件为基础，它是模糊决策的前提，也是模糊控制规 则生成的理论依据。 模糊规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制订出若干模糊控 制规则，为了能存入计算机，还必须对它们进行形式化数学处理，之后，再模仿人的模 3 模糊解耦控制理论 19 糊逻辑推理过程，确定推理方法，这样计算机就可用模糊化的输入量，根据制定的模糊 控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理， 并得到模糊输出量即模糊输出隶属函 数。 根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同类型的模糊规则可用不同的模糊推理方 法。 （1）对“如果 A，那么 B“ (if A then B)类型的模糊规则可