（控制理论与控制工程专业论文）硫酸铵蒸发过程控制策略研究及系统设计.pdf

摘要 题目： 专业： 研究生： 导师： 摘要 硫酸铵蒸发过程控制策略研究及系统设计 控制理论与控制工程 蒋正木 刘飞( 教授) 硫酸铵( a m m o n i u ms u l f a t e ) 作为一种重要的工业产品，在社会各行各业中得到了 广泛的应用，同时人们对硫酸铵的产品质量也提出了更高的要求，而其质量的高低在很 大程度上依赖于生产中的蒸发结晶过程。所以，如何提高硫酸铵蒸发过程的控制性能， 将先进的控制策略运用于其中，对于提高硫酸铵的产品质量具有重要的意义。 本文以某冶炼厂硫酸铵生产中的蒸发过程为背景，在研究分析蒸发过程工艺的基础 上，针对该过程进行建模、仿真、先进控制策略研究及控制系统的设计。论文主要从以 下几个方面对该课题进行了研究： ( 1 ) 在对硫酸铵蒸发工艺进行分析的基础上，建立了四效蒸发器的动态机理模型。 进而在m a t l a b 平台上开展了多方位的仿真研究，获得蒸发系统的基本特性，为控制 策略的实施奠定了基础。 ( 2 ) 基于蒸发系统的动态特性，利用j a c o b i a nm a t r i c e s 对其进行局部线性化，采用 双模控制策略对其开展先进控制策略研究，仿真结果验证了其优越性与可行性。 ( 3 ) 针对优化过程中所表现出的优化速率偏低的问题，本文尝试采用输入衰减式 集结优化控制策略，降低控制变量维数，结果表明该策略的引入，满足了系统实时优化 的要求。 ( 4 ) 结合企业的实际情况，针对多效蒸发器的工艺要求，设计完成了一套基于多 效蒸发、组态王监控和p l c 控制的硫酸铵蒸发过程控制系统，并获得实际应用。 上述先进控制策略的实施，提高了系统的稳定性；p l c 控制系统的设计完成满足了 企业生产自动化的要求；监控组态系统的运用实现了在复杂生产环境下对工业生产现场 的实时监控。 关键词：控制系统；双模预测控制；集结优化；硫酸铵；蒸发结晶 a b s t r a c t a b s t r a c t a m m o m u ms u l f a t e ( a m m o n i u ms u l f a t e ) ，a s w i d e l yu s e di nv a r i o u si n d u s t r i a lp r o c e s s e s f o r a ni m p o r t a n tc h e m i c a ls u b s t a n c e ，h a sb e e n i t sq u a l i t yd e p e n d so ne v a p o r a t i o np r o c e s s g r e a t l y ，w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n dt ot h eq u a l i t yo fa m m o n i u ms u l f a t e ，h o wt oi m p r o v et h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa m m o n i u ms u l f a t ee v a p o r a t i o np r o c e s s ，a n dh o wt oa p p l ya d v a n c e d c o n t r o ls t r a t e g yt oe v a p o r a n o np r o c e s ss h o wg r e a ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fi t s p r o d u c t s o nt h eb a c k g r o u n do fp r o d u c t i o np r o c e s so fa m m o n i u ms u l f a t ei nas m e l t e r ，b a s e do n r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ee v a p o r a t i o na n dc r y s t a lp r o c e s si na m m o n i u ms u l f a t ep r a c t i c a l p r o d u c t i o np r o c e s s ，m o d e l i n g ，i m i t a t i o n ，a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ns t u d i e da n d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h ef o l l o w i n ga s p e c t so ft o p i c sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i s p a p e r ： ( 1 ) b a s e do na n a l y s i so fa m m o n i u ms u l f a t ee v a p o r a t i o nt e c h n o l o g y d y n a m i c a l m e c h a n i s mm o d e li sc o n s t r u c t e df o rf o u r e f f e c t e v a p o r a t i o np r o c e s s ，a n dm o r eo r i e n t a t i o n i m i t a t i o nr e s e a r c hh a sb e e ns t u d i e db ym a t l a bm e t h o d ，b a s i cc h a r a c t e r i s t i c sc a nb e o b t a i n e df o rt h i ss y s t e m ，w h i c he s t a b l i s h e dt h eb a s i cf o r t h eu s eo fc o n t r o ls t r a t e g i c ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e lo fe v a p o r a t i o np r o c e s sj a c o b i a nm a t r i c e sa r eu s e d t op a r t l yl i n e a r i z a t i o n ，a n dd u a l - m o d ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi s a d o p t e dt os t u d yi t s c o n t r o lp e r f o r m a n c es oa st oj u d g ei t ss u p e r i o r i t ya n d f e a s i b i l i t y ( 3 ) i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl o w - s p e e di no p t i m i z a t i o np r o c e s s ，w ei n t r o d u c e da a g g r e g a t i o no p t i m i z a t i o ns t r a t e g yw i t hi n p u t v a r i a b l e sh a v eb e e nd e c r e a s e da n dt h er e s u l t s h a sb e e ns a t i s f i e d d e c a y i n gf o r m t h ed i m e n s i o n so ft h ec o n t r o l s h o wt h ed e m a n dt oo p t i m i z a t i o no fr e a lt i m e ( 4 ) i nt h ec o u r s eo fd e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m ，as c h e m ei n c l u d i n gm u l t i e f f e c t e v a p o r a t i o n ，c o n f i g u r a t i o nm o n i t o rt e c h n o l o g ya n dp l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ep r o p o s e do n t h eb a s i so ft h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h ee n t e r p r i s e w i t ht h ea p p l i c a t i o n so fa b o v et e c h n o l o g i e s ，t h es t a b i l i t yo fs y s t e mh a sb e e ng u a r a n t e e d ， t h ed e s i g no fp l cc o n t r o lt e c h n o l o g ys a t i s f i e st h ed e m a n dt oa u t o m a t i o no fp r o d u c t i o ni n c o r p o r a t i o n ，t h ec h a r g eo fp r o d u c t i o ni nc o m p l e xs i t u a t i o nh a sb e e ns a t i s f i e db yc o n f i g u r a t i o n m o n i t o rt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；d u a l m o d ep r e d i c t i v ec o n t r o l ；a g g r e g a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ； a m m o n i u ms u l f a t e ；e v a p o r a t i o na n dc r y s t a l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 如、 卅强太导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 硫酸铵作为一种重要的化学物质，不仅被广泛的应用于工业生产中，而且在农业的 发展中也发挥着极其重要的作用，据统计，近4 0 年来，中国的硫酸铵产量基本上维持 在5 0 8 0 万吨年( 折纯氮在1 0 万1 6 万吨) 1 1 1 ，随着硫酸铵在社会各行各业中的广泛 应用，硫酸铵产品的标准也在不断提高。为了生产出高质量的硫酸铵产品，生产企业对 于生产硫酸铵晶体的关键工艺蒸发过程，提出了更加严格的要求。而且随着国家对 环境保护的日益重视，如果仍然采取传统的手工简单操作，不仅严重危害了人们的生存 环境，更不能满足生产的要求，提高产品的质量。所以对于硫酸铵蒸发过程控制策略的 研究及其企业自动化水平的提高显得尤为重要。 1 1 硫酸铵用途及产业现状 硫酸铵又称硫铵。纯品为无色斜方晶体，易溶于水，密度1 7 9 6 9 c m 3 。加热时分解 失去氨，成为酸式盐。5 1 3 。c 时完全分解为氨和硫酸。工业品为白色或浅灰黄色颗粒。 易溶于水，不溶于乙醇、丙酮、氨，易潮解。 长期以来，硫酸铵主要用作肥料，可以直接施用或作为复混肥的原料，其消费量约 占总消费量的8 0 左右。硫酸铵用作氮肥有不少优点：由于硫酸铵含有n 和s 两种养分， 对缺硫土壤和喜硫作物更适合；因为硫酸铵本身为生理酸性肥料，对碱性土壤更有利； 硫酸铵还可改善其它肥料的造粒性能，是中国团粒法生产复混肥的主要原料之一【l 】。 硫酸铵在工业上的应用主要体现在以下几个方面：以硫酸铵为原料与氯化钾进行复 分解反应制取硫酸钾是工业生产硫酸钾的方法之一；以硫酸铵为原料生产的过硫酸铵在 皮革工业、涂料工业等都有一定的使用量，涂料工业中丙烯酸单体在引发剂过硫酸铵作 用下与溶剂一起反应生成丙烯酸树脂，再加上不同的原料( 如氨基树脂、颜料、助剂) 可制成多种多样的涂料；生物化工产品中通用生化试剂酶的制备中也用到了大量的硫酸 铵，例如：酰化酶i 、醇脱氢酶、醛缩酶的制备。工业中消耗掉的硫酸铵约占总消 费量的2 0 左右。 1 9 9 8 年以前，国内硫酸的生产能力不足，但需求量却逐年递增，所以较多的依靠国 外的进口，主要的进口国家为俄罗斯，加拿大和日本。自1 9 9 8 年至2 0 0 1 年之间的几年， 国内化肥市场比较冷淡，进口量很少，有的年份甚至可以忽略不计。2 0 0 2 年以后随着国 内化肥市场的好转和国内硫酸铵生产水平的大幅提高除了部分硫酸铵产品依赖进口外， 其余全由国内市场提供。而且最近几年国内硫酸铵的出口趋于稳定，主要出口到澳大利 亚、菲律宾、马来西亚、孟加拉国、斯里兰卡、泰国、新西兰、印度、越南等国，进军 国际市场的步伐正在加快【1 1 。 据不完全统计，2 0 0 4 年中国硫酸铵的产能在1 5 0 万吨( 实物) 左右，折纯氮3 1 5 万吨。根据国际肥料工业协会( i f a ) 的调查，2 0 0 4 年世界硫酸铵的产能总计为4 3 5 万 吨，而且最近几年也有不断增长的趋势。中国的产能在亚洲占的比例约为2 3 ，但是只 占到世界产能的不足8 。所以，随着世界经济体化进程的加快、国内经济的快速发 江南大学硕士学位论文 展、农业现代化的不断推进、科学技术的不断提高，国内外硫酸铵产业的前景将是非常 光明。 1 2 蒸发过程概述 众所周知，将含有不挥发性溶质的稀溶液加热沸腾进行浓缩，使其中的挥发性溶剂 部分汽化从而将溶液浓缩，以获得固体产品或制取溶剂的过程称为蒸发过程，蒸发过程 实际上是不挥发性溶质与挥发性溶剂的分离过程。蒸发过程中的蒸发结晶技术不单单用 在本文硫酸铵制取等化工生产过程中，在其它的行业和生产过程中，例如在轻工、食品、 医药生产以及生物工程等领域，蒸发结晶过程也是基本生产单元。 1 2 1 主要的蒸发结晶技术 目前常用的蒸发结晶技术按照蒸发过程操作压力的不同可以分为：常压蒸发结晶、 加压蒸发结晶以及减压蒸发结晶三种；根据二次蒸汽是否用作下级蒸发的加热蒸汽，可 以将蒸发结晶技术分为单效蒸发结晶和多效蒸发结晶；根据蒸发过程的模式，蒸发结晶 技术又可分为间歇式蒸发结晶和连续式蒸发结晶。 将以上的基本蒸发结晶技术进行混合运用又可以将蒸发结晶技术分为常压单效蒸 发结晶、减压单效蒸发结晶、多效蒸发结晶等蒸发结晶技术。而目前硫酸铵晶体生产过 程中常用的蒸发结晶技术主要有【2 】： 常压单效蒸发结晶 常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液的操作压强为大气压或略高于大气压时，系统中 的不凝气依靠本身的压强从冷凝器排出。所谓的常压单效蒸发结晶就是在此常压状态 下，经过预热后的硫酸铵母液进入单效蒸发器。溶液在单效蒸发器内受到外加生蒸汽的 加热作用而蒸发。加热过程中产生的二次蒸汽直接冷凝或另作他用而不再作为下级蒸发 装置的加热蒸汽。溶液在硫酸铵蒸发器中蒸发至过饱和状态后进入育晶罐，最后在离心 机的作用下得到成品硫酸铵。 减压单效蒸发结晶 减压单效蒸发结晶与上述常压单效蒸发结晶的不同之处在于减压蒸发时冷凝气和 蒸发器溶液的操作压强低于大气压，此时系统中的不凝气必须用真空泵抽出，硫酸铵母 液进入结晶槽，其中较稀的溶液从结晶槽溢出经循环泵打入加热器，对其进行加热，经 过预热后的母液进入蒸发器。并通过冷凝器和蒸汽喷射器使蒸发器内形成高真空，从而 可将原料母液中的水分大量蒸发，提高了沉在结晶槽底部的硫酸铵溶液的溶质含量。 喷射式热泵单效蒸发结晶 喷射式热泵单效蒸发结晶工艺是较早在我国投入运行的结晶技术。该工艺仍然使用 单效蒸发器减压蒸发，将硫酸铵母液的浓度提高到一定的程度后进行离心分离。将通过 喷射器吸入闪蒸罐中的生蒸汽产生的二次蒸汽经管道送入蒸发器的加热室中，从蒸发器 排出的冷凝水进入闪蒸罐，c j j 蒸产生的二次蒸汽再由喷射器进行压缩后重复以上循环。 多效蒸发结晶 所谓的多效蒸发结晶顾名思义就是将若干个蒸发器串联起来，将前一个蒸发器产生 2 第一章绪论 的二次蒸气引入后一个蒸发器的加热室作为热源，就称为多效蒸发。多效蒸发的设备费 用增加，但却减少了蒸汽的用量。 1 2 2 影响蒸发结晶的因素 在硫酸铵的蒸发结晶过程中，有时会出现硫酸铵晶体粒度不均匀，色度和纯度不好 的现象，严重影响了硫酸铵产品的质量，在工业生产过程中这种结果的形成因素并非单 一，总结起来主要有以下几个方面： 进料母液的酸度【3 4 】 进料母液的酸度对硫酸铵结晶的质量具有一定的影响，酸度的高低与结晶的平均粒 度成反比，酸度升高结晶的粒度下降，晶体的形状会随之发生一系列的变化由长宽比较 小的多面颗粒转变为有胶结趋势的细长六棱柱形，有的甚至会变为针状。 加热的温度 由蒸发结晶的定义可以知道，晶体的析出过程是靠温度的加热来实现的，温度的高 低决定了母液在不同阶段的浓度，以及晶体在最后的析出度。 搅拌速度与搅拌形式【5 6 】 在蒸发过程中，搅拌速度的高低以及搅拌方式的选择，对溶液的受热均匀度有着重 要的影响，直接影响了加热的速率和成本的利用率。搅拌速度过快则可能因刺激过剧烈 而自然起晶，也可能使已经长大了的晶体破碎，功率消耗也会增大。搅拌太慢晶核则会 沉积。所以搅拌的速度以及搅拌形式要根据溶液的性质和晶体的大小而定。 环境、人为等因素 在工业生产过程中往往不像实验室中那样具有较理想的条件，通常情况下环境比较 复杂，不确定性的因素比较多。所以往往会对结晶的质量产生意想不到的影响。另外， 操作人员作为生产过程的实施者与决策者，自身的因素对生产的影响更是不容小觑。 1 2 3 主要蒸发装置的介绍 作为蒸发结晶过程的主要设备，蒸发器和一般的传热设备并无本质的区别。但是由 于在蒸发过程中需要不断除去产生的二次蒸汽，所以，蒸发设备除包括用来进行传热的 加热室及进行汽液分离的蒸发室( 这两部分组成蒸发设备的主体一蒸发器) 外，还应有 使液沫得到进一步分离的除沫器和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空 装置。兹分别介绍如下【7 j ： 蒸发器的分类： 以目前常用的间壁式蒸发器为例，根据溶液在蒸发器中停留的情况，可以分为循环 型蒸发器和单程型蒸发器两大类。 循环型蒸发器 这种类型的蒸发器，由于溶液都在蒸发器中做循环流动故得此名。根据引起循环的 原因不同，通常又可将其分为自然循环式和强制循环式两种。 自然循环式蒸发器一般常见的类型有中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器和列文式 蒸发器。上述自然循环式蒸发器由于其循环速度一般在1 5 m h 以下，所以不适合在蒸 江南大学硕十学位论文 发黏度大、易结晶和结垢的物料中使用。在这种情况下一般选择强制循环式蒸发器，在 此不对其做详细介绍。 单程蒸发器 与循环式蒸发器相比较，进入这种蒸发器的溶液在蒸发器中只通过加热室一次，不 作循环流动即成为浓缩液排除。由于溶液在通过加热室时，在管壁上呈膜状流动，故习 惯上又将其称为液膜式蒸发器。根据物料在蒸发器中的流向可以将其分为升膜式蒸发 器、降膜式蒸发器和刮板式蒸发器三种常用的单程蒸发器。 蒸发器的工作原理 降膜式蒸发器作为典型的单程蒸发器，可以用来蒸发浓度较高、粘度较大( 例如在 0 0 5 - - 一0 4 5 n s m 2 范围内) 、热敏性的物料。故在蒸发结晶过程中得到广泛的应用。降膜 式蒸发器也是本设计中所要用到的蒸发器，现对其做详细的介绍。降膜式蒸发器的工作 原理如图1 - 1 所示。 1 i r 完成液 图1 - 1 降膜式蒸发器工作原理图 f i g 1 1w o r k i n gp r i n c i p l es k e t c h e so f f a l l i n gf i l me v a p o r a t o r 如图1 - 1 所示，降膜式蒸发器的料液从顶部加入，由于重力的作用沿管壁成膜状下 降，在下降过程中溶液不断得到蒸发，使其浓度增大并在其底部得到浓缩液。在分离器 内进行汽液分离，分别得到完成液和二次蒸汽。 降膜式蒸发器由于在蒸发过程中溶液成膜状下降，使溶液的蒸发更加彻底，流动传 热系数大为提高而不必像循环式蒸发器那样需要溶液的循环蒸发。但是由于溶液沿管壁 下落的过程中，不易均匀分布，因此降膜式蒸发器不宜使用于易结晶或易结垢的物料的 蒸发过程中。 1 3 先进控制策略概述 随着科学技术的迅速发展，人们对硫酸铵的产品质量提出了更高的要求，如何提高 产品的质量在很大程度上依赖于对于蒸发结晶过程的控制。所以，如何提高硫酸铵蒸发 过程的控制性能，将更加先进的控制策略运用于其中，提高生产的自动化水平，对于提 高硫酸铵的产品质量具有重要的意义。不仅硫酸铵产业如此，其他的产业对于自身自动 4 第一章绪论 化水平的提高也到了迫切需要的地步。 工业自动化水平的提高，简言之，就是用准确化、快速化、智能化的自动控制来代 替粗放型的人为简单操作。而自动控制的实现关键要靠先进控制策略的应用。目前在工 业过程中应用最广的控制策略主要有以下几种： 1 3 1p i d 控制策略在工业中的应用 自从2 0 世纪4 0 年代开始，在工业过程控制中，就采用了负反馈控制，p i d 控制策 略开始在工业控制的舞台上大放异彩，到如今p i d 控制已经经历了半个多世纪，但由于 其算法简单、实用、可靠性高、技术成熟仍然被广泛应用于工业过程控制领域，即便是 在大量采用d c s 控制的现代化装置中，这种负反馈回路仍占总控制回路的8 0 左右， 所以p i d 控制在今后相当长的时间内还会在工业过程控制领域扮演重要的角色【8 】。 p i d 控制算法的实现 作为控制系统中技术最成熟，应用最广泛的的一种控制方式。其基本的工作原理是 对反馈控制系统的偏差值按比例、积分、微分函数关系进行运算，并将输出结果输送给 执行器，执行器将根据偏差值的运算结果来控制被控对象。 在连续时域中，p i d 控制器算法的表达式为： 砸) “p 七卜+ 毒f e ( t ) d t + 百d e ( t ) i ( 1 1 ) 式中，p ( ，) 为控制系统的给定值与实际输出值的偏差，在此作为控制器的输入。 甜( f ) 为控制器的输出，一为积分时间常数，瓦为微分时间常数。 离散化得p i d 算法的表达式为： f k t 出丁辜町丁) ( 1 2 ) d e ( t ) e ( k t ) - e ( k - 1 ) t d tt 可得离散的p i d 表达式： 材( j j ) = k p p ( 七) + k ，p ( ) + k d p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】 ( 1 3 ) 0 式中，k 为采样序号，k = 0 ，1 ，2 ，；u ( k ) 、e ( k ) 分别为第k 次采样时刻的计算机输 出值和输入的偏差值；e ( k 一1 ) 为第k 一1 次采样时刻输入的偏差值；k ，积分系数， k ，= k p r r , ，k d 微分系数，k d = k p 乃t o 。大多数控制系统的p i d 系统控制框图如图 1 2 所示。 江南人学硕十学位论文 图l 一2p i d 控制功能框图 f i g 1 2f u n c t i o n a lf r a m eo fp l dc o n t r o l 图中r ( k ) 为系统的设定值，c ( k ) 为系统的反馈值，e ( k ) 为反馈误差，计算机输出 “( 尼) 直接去控制执行机构，系统控制图中的“p i d 控制算法”，正是控制器设计的核心所 在。 ) p i d 控制算法的发展 随着人们对p i d 控制算法性能的要求越来越高，近年来出现了许多新型的p i d 控制 器，如瑞典著名的学者k j a s t r o m 等人推出的智能型p i d 自整定控制，对于复杂对象的 控制效果远远好于传统的常规p i d 控制器，还有其他的新型p i d 控制，如自适应p i d 控制、模糊p i d 控制、神经网络p i d 控制和预测p i d 控制，现分别作如下介绍： 模糊p i d 控制【8 9 】 一般的模糊控制器具有简易性和快速性的特点，通常采用二维模糊控制器的结构形 式。类似于常规的p d 控制器的作用，当采用该类控制器时系统表现出较好的动态性能， 但是系统的静态性能却不尽如人意。考虑到p i 控制器既能改善系统的静态性能又能保 证系统具有一个良好的动态性能的效果，所以把p i ( p i d ) 控制器引入了f u z z y 控制器 中，构成了模糊p i ( p i d ) 控制。 自适应p i d 控制【l o j 吸收了自适应控制与常规p i d 控制器两者的优点，它不仅具有自动辨识被控过程参 数、自动整定控制器参数、适应被控过程参数的变化等优点，而且又继承了常规控制器 结构简单、鲁帮性好、可靠性高的优点。使其成为了过程控制中较为理想的控制装置。 智能p i d 控制【1 1 1 3 】 具有不依赖系统精确数学模型的特点，对于系统的变化具有较好的鲁棒性。目前常 用的p i d 控制器主要包括基于规则的智能p i d 自学习控制器、加辩识信号的智能白整定 p i d 控制器、专家式智能自整定p i d 控制器等。 神经网络p i d 控制【1 4 , 1 5 】 p i d 控制要想获得较好的控制效果，必须对p 、i 、d 参数进行合理、最优的调节， 然而，p 、i 、d 参数之间的关系并非简单的“线性组合“，而且实际工业生产中的环境 又非常的复杂，所以对于工程设计人员来说找到最优的一组p 、i 、d 参数也非易事。神 经网络所具有的任意非线性表示能力，可以帮助我们在变化无穷的非线性关系中找到最 佳的关系，进而确定最佳的p 、i 、d 参数值，实现最优的p i d 控制，所以说神经网络 p i d 控制，使控制性能得到了大幅的提高。 预测p i d 控制【1 6 j 预测控制和p i d 控制各自具有明显的特点，两者又具有强烈的互补性。预测p i d 控 6 第章绪论 制的出现弥补了两者的缺点，出现了如模型算法p i 控制( m a p i c ) 、动态矩阵p i 控制 ( d m p i c ) 、广义预测p i 控制( g p p i c ) 、广义预测极点配置控制( g p p p i c ) 、动态矩阵 预测p i d 控制等性能优越的先进控制算法。 1 3 2 预测控制等先进控制策略在工业中的应用 随着现代工业过程逐步走向大型化、复杂化、连续化，很多系统体现出其高度的复 杂性，并且带有强耦合性、非线性、不确定性、信息不完全性和大时滞等特性，并存在 苛刻的约束条件【0 7 1 ，在这种情况下传统的常规控制已经不能完全适应所有的过程和不同 的控制要求，在这种情况下先进控制策略应运而生，如s m i t h 补偿器、自适应控制、鲁 棒控制、智能控制、内模控制、动态矩阵预测控制、模型算法预测控制、广义预测控制、 优化控制等新型控制算法已在工业过程控制中得到推广应用。其中预测控制因具有建立 模型方便、采用滚动优化策略以及模型误差反馈校正等优点在工业过程控制中的应用尤 为突出。 预测控制的原理 预测控制发展到今天，其算法形式不再单一化，而是趋向多元化，但是它都 是建立在以下三大原理的基础上【1 8 】。 预测模型 要实现对对象的预测控制，预测模型的建立是必要的，而且因为该模型要实现根据 对象历史信息预测其未来输出的作用，所以预测模型的准确建立显得尤为重要。但是， 此处预测模型建立的重点并不在其结构而是在其功能，简言之，凡是能够体现该对象功 能的模型均可作为系统的预测模型，因此，系统对象的状态方程、传递函数、甚至是其 阶跃响应、脉冲响应都可以作为预测模型来使用。 滚动优化 预测控制与传统最优控制的区别在于此一滚动优化。 预测控制作为一种优化控制算法，它是通过某一性能指标的最优来确定控制作用 的，然而，预测控制中的优化与传统意义下的离散最优控制的区别就在于是否采用了滚 动优化。所谓的滚动优化是指在每一采样时刻，优化性能指标只对从该时刻起的有限时 域内的值其作用，而到下一时刻，这一优化时段同步向前推移，也就是说优化并不是固 定不变的一次离线完成，而是要经过不问断的反复在线进行。 反馈校正 预测控制作为一种闭环控制策略，反馈校正的采用是为了防止当控制对象通过优化 确定了一系列未来的控制作用以后，出现模型失配或者因为外界的干扰引起的控制对理 想状态的偏移，而采取的补救措施。当经过优化后，未来多个时刻的控制作用确定以后， 预测控制策略并不是将这些控制作用逐一全部实施，而只是施加本时刻的控制作用。当 下一时刻到来时首先对控制对象的实际输出进行控制，并根据这一信息对预测输出进行 休整，进而得到新的控制作用。如此反复进行，逐步优化，直至得到最终的最优控制作 用。 江南人学硕士学位论文 预测控制的发展趋势 预测控制发展至今，技术已经相对成熟，预测控制的算法己在国内外许多大公司得 到应用，并出现了许多预测控制的工程化软件包，如a s p e nt e c h 公司的d m c p i u s ， h o n e y w e l l 公司的r m p c t 、i d c o m m 、s m c a 、p f c ，以及浙江大学研发的a p c h i e c o n 、 a p c p f c ，清华大学研发的s m a r t ，上海交通大学研发的m c c 以及北京化工大学研发 的模型p i d 和i m c p i d 先进控制等【1 9 】。 近年来，随着预测控制技术在工业控制领域的广泛应用和大力推广，预测控制得到 了长足的发展，而控制领域中涌现出的如神经网络、模糊控制、模糊神经网络等新理论 和新算法与预测控制相结合，大大推动了预测控制理论的发展，新的理论、新的方法应 运而生，例如基于神经网络的预测控制，把神经网络、预测控制结合起来，将预测控制 的优化思想与神经网络精确描述非线性和不确定性动态过程的特性有机结合，还有基于 神经网络的自适应模糊预测控制，将神经网络、自适应、模糊控制、预测控制四者结合 形成新的预测控制方法。另外还出现了其他一些控制算法，如组合预测控制算法、平滑 切换的广义预测控制算法、复合控制、多步预测自适应控制，多层智能预测控制等智能 型预测控制算法，智能预测控制将是今后发展的重要方向。 预测控制在国外的发展也取得了可喜可贺的成果，许多权威的研究机构都非常重视 预测控制的发展和应用，例如美国的控制年会a c c 和世界自动联会i f a c 都对预测控制 寄予了高度的重视。 1 4 监控组态软件的应用概况 1 4 1 监控组态软件的产生 监控组态软件俗称组态软件，译自英文s u p e r v i s i o n ，c o n t r o la n dd a t aa q u i s i t i o n ( 数据 采集与监视控制) ，在监控软件出现之前，如果要完成某一任务，必须通过大量的编程 来解决。这样对工程设计人员来说即要花费大量的时间和精力又容易出错，而且随着企 业自动化、信息化水平的不断提高，这方面的矛盾显得更加的突出。为了解决上述的问 题，监控组态软件在信息化社会的大背景下应运而生。 1 4 2 监控组态软件的发展应用 随着企业自动化水平的不断提高和工业i t 技术的快速发展，监控软件的身影已经 频繁出现在各类生产控制过程中。目前它已经广泛应用于电力系统、给水系统、石油、 化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 监控组态软件作为计算机技术和监控技术发展的产物，以及数据采集与过程控制的 专用软件，它们是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，具有灵活的组态方 式，并为用户提供快速构建工业自动控制系统监控的功能。组态软件应该可以支持各种 工控设备和常见的通信协议，并且通常提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的 h m i ( 人机接口软件，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能 快速建立自己的h m i 的软件工具( 开发环境) 1 2 。 8 第一章绪论 目前，国外常用的组态软件主要有以下几种1 2 l 】： i n t o u c h ：最早进入中国市场的组态软件，最新的i n t o u c h 软件已经完全基于3 2 位 的w i n d o w s 平台，并且提供了o p c 支持。 i f i x ：提供了强大的组态功能，并与m i c r o s o f t 的操作系统、网络进行了紧密的集成。 c i t e c h ：操作方式简洁，但更多面向程序员而非工控人员，脚本语言采用类似c 语 言，方便二次开发。 w i n c c ：提供类似c 语言的脚本支持，内嵌o p c 支持，可对分布式系统进行组态。 国内主要组态软件 f o r c e c o n t r o l ：国产监控组态软件中唯一一款具有完整的冗余与热备体系设计，完 整的分布式网络结构的软件； k i n g v i e w 操作简单、直观、易理解，符合工控行业使用习惯，简单实用，易于进 行功能扩展。 m c g s ：全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活。 另外国内主要组态监控软件还有r e a l i n f o 、c o n t r o x ，易控等，在此不再祥述。 1 4 3 监控软件的发展趋势 由于监控组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场 占有率的重要桥梁，而且作为一种新生事物，组态软件尚属于高速发展时期，加上近几 年来与组态相关的一些技术如o p c 、o p c x m l 、现场总线等技术的快速发展，为监控 组态软件的发展提供了有力的支撑。所以未来组态软件将向着更加集成化、定制化、功 能多元化、监控管理范围扩大化的趋势发展。 1 5 本课题研究的内容 某冶炼厂在生产过程中产生了大量含有硫酸铵的废水，若直接排放，不仅会造成环 境污染，也浪费了大量的硫酸铵资源。考虑到这些问题，厂方决定新建一硫酸铵生产工 段，这样既能解决硫酸铵废水的处理问题又能为企业创造利润。所以，本课题正是以此 为背景，首先对其硫酸铵生产工段中的蒸发过程进行工艺的分析，并以此为基础对蒸发 系统展开先进控制策略的研究，最后结合企业的实际情况，设计完成了一套基于多效蒸 发、组态王监控和p l c 控制的硫酸铵蒸发过程控制系统。 本论文的章节安排如下： 第一章，绪论，简要介绍本课题的研究背景及研究意义、先进控制策略在现代工业 过程中的应用现状、监控组态软件的应用概况等。 第二章，工艺分析，综合考虑硫酸铵生产的基本要素、企业的生产条件、以及对产 品质量的要求，在对多种当今常用的蒸发工艺进行比较、分析的基础上，选择了基于四 效蒸发器的多效蒸发浓缩结晶工艺。 第三章，蒸发过程的动态建模与仿真，在本节中根据蒸发过程的基本机理对蒸发过 程建立其动态模型，利用m a t l a b 对动态模型进行仿真，判断系统的基本特性，以备 9 江南人学硕士学位论文 下一步对其进行控制策略的研究。 第四章，利用已建立的动态模型对其进行控制策略的研究，在本节中针对该系统动 态模型自身所具有的非线形、复杂性以及各变量之间的强耦合性等因素，首先，利用 j a c o b i a nm a t r i c e s 对其机理模型进行局部线性化，其次，对离散化的线形模型采用双模 预测控制策略对其控制性能进行研究，通过仿真结果验证其优越性与可行性，最后，鉴 于在优化过程中出现的优化速率偏低的问题，本文中又引入了具有衰减形式的集结优化 控制策略。 第五章，系统设计，在选定工艺方案的基础上，针对蒸发系统的特性、工艺要求并 综合考虑厂方的技术支持能力，提出了基于组态王和p l c 的硫酸铵蒸发系统的设计思想 和实施方案。首先，在s i m a t i cs t e p 7 v 5 3i n c l s p 2 软件平台上，构建以p i d 控制为核 心的控制系统，其次，以k i n g v i e w 6 3 为工具，采用m p i 通信方式开发该系统的监控软 件。 第六章，总结本文所做的工作。 l o 第一：章硫酸铵燕发系统工艺分析 第二章硫酸铵蒸发系统工艺分析 硫酸铵作为一种重要的化工产品，与人们的生活和社会的发展息息相关，人们对硫 酸生产工艺的研究也是从未止步，从早期简单、低效、粗放型的零星生产到如今高效、 合理的规模化生产，硫酸铵产品不仅仅在产量上获得了前所未有的提高，质量上更是取 得了质的飞跃。随着硫酸铵需求量的不断增加、生产设备性能的不断提高、员工素质的 大幅提升，硫酸铵的加工制造工艺也日趋成熟。 2 1 项目概况 某冶炼厂在生产过程中产生了大量含有硫酸铵的废水，若直接排放，不仅会造成环 境污染，也浪费了大量的硫酸铵资源。考虑到这些问题，厂方决定新建一硫酸铵生产工 段，这样既能解决硫酸铵废水的处理问题又能为企业创造利润。所以，本方案就是针对 这一现状而设计设计完成后的硫酸铵工段现场如图21 所示。 图2 - 1 硫酸铵工段现场图 f i g 2 is c e n ed i a g r a mo f 硼m o n i u ms u l f a t es e c t i o n 2 2 蒸发系统工艺分析 2 2 1 基于多效蒸发器的蒸发结晶工艺 多效蒸发器由于蒸汽耗量低、蒸发温度低、浓缩比大、合理、节能、高效，所以被 广泛应用在发酵行业、淀粉淀粉糖行业、果汁行业、饮料行业、制药行业以及环保等 行业中。并且在高浓度有机物和化工等废水综合治理中也经常被用作主要的蒸发浓缩设 备。 多效蒸发器的组成 通常一组蒸发器是由一个加热器和一个分离器组成，所以多效蒸发器通常由两个或 江南大学硕十学位论文 两个以上的蒸发器及分离器、各种物料泵、真空装置、检测仪表、各类阀门、管道等组 成。分离器作为蒸发器的重要组成部分则主要由壳体、捕沫器及附件组成。 多效蒸发器的特点 适合于热敏性、浓度较高、粘度较大、易挥发、易结垢、易结晶、浓缩比大及具有 腐蚀性物料的蒸发。 蒸汽耗量低、蒸发温度低、浓缩比大。 由于多效蒸发器的内部采用的蒸汽喷射热泵借助绝热压缩作用使部分第一效二次 蒸汽的饱和温度提高，并回到第一效加热器内作为加热蒸汽，从而提高了生蒸汽的经济 程度。 合理有效的分配盘的使用使物料进入加热管后在管内壁形成均匀的模状流动，从而 使传热系数大为提高。 多效蒸发器中可以利用废汽及其它低热值热源( 如凝结水蒸汽) 作为蒸发器热源而 成为废热蒸发器，由此可以极大地减少生蒸汽用量，达到最大的节能效果。 多效蒸发结晶过程进料流程 在多效蒸发结晶工艺中根据原料液加入的方法不同，多效蒸发一般可以分为以下几 种【2 2 】： 前向进料：原料液只进入第一级的进料过程； 逆向进料：原料液首先进入最后一级的进料流程； 平行进料：该进料方式指的是多效蒸发器的每一级都能接受新鲜的进料。 另外把不同类型流程组合起来使用的方案，我们通常称之为错流流程。上述第一种 方案最为常见，也是本设计所采用的进料流程。 2 2 2 硫酸铵蒸发过程工艺流程分析 在该项目的工程工艺设计阶段，综合考虑硫酸铵的性质、工业现场的具体情况、员 工的实际操作能力、企业的技术支持能力以及厂方的要求如资金的利用情况、产品的质 量等方面的具体要求，在对多种蒸发结晶工艺进行比较的基础上，结合本项目的实际情 况，采用了基于四效蒸发器的蒸发结晶浓缩工艺【2 3 。27 1 ，采用并流加料方式。系统的工艺 流程如图2 2 所示，蒸发系统流程中的主要设备如表2 1 所示。 1 2 第二章硫酸铵蒸发系统工艺分析 1 3 p 1 o p i 0 fi琦-2勺rooo p l 占 = i ： 圈n-2石亢舀爱辩耕沸系饕n时藩并呈圈 ，一0 i ：0、v c_畸rartl ot暑rtl0=_c暑ul叶po o、，口orat一03口rooo p i - 0 协 毒 p 1 0 6 江南人学硕士学位论文 该工艺的基本操作流程为： 硫酸铵溶液的蒸发 首先硫酸铵母液依次进入三效预热器( e 1 6 ) 、二效预热器( e 1 7 ) 、一效预热器 ( e 1 8 ) 进行预热，经过预热后的物料进入一效蒸发器( e 1 1 ) ，料液从一效蒸发器顶 部经分配装置均匀分配于各加热管内。在重力和真空诱导及气流的作用下在加热管内壁 呈膜状自上而下流动。在流动的过程中管道内的溶液受管道外蒸汽的加热作用，使料液 蒸发。经一效蒸发作用后，得到的初步完成液，一部分进入一效分离器( v 1 1 ) ，另一 部分与从一效分离器经分离得到的浓缩液混合。混合液中的一部分经过一效循环泵再次 打入一效蒸发器内，另一部分则经过二效蒸发器( e 1 2 ) 的进料口，作为二效的进料液进 入二效蒸发过程。从一效分离器得到的二次蒸汽作为二效蒸发器蒸发过程中的加热蒸 汽，完成对溶液的二次蒸发