（控制科学与工程专业论文）聚乙烯生产过程建模及pid控制器设计.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 7 3 学科分类号 12 0 3 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 1 8密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名高培学号2 0 0 8 0 0 0 8 1 8 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 1 l o l 课题来源自选题目研究方向工业过程优化及先进控制 论文题目 聚乙烯生产过程建模及p i d 控制器设计 关键词聚乙烯，非线性系统，h 锄m e r s t e i n 模型，逆模型，支持向量机 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师赵众教授北京化工大学工业过程优化及先进控制 评阅人l曹柳林教授北京化工大学自动化 评阅人2楚纪正研究员北京化工大学 过程建模仿真 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席曹柳林教授北京化工大学自动化 答辩委员l楚纪正研究员北京化工大学过程建模仿真 答辩委员2李大字副教授北京化工大学人工智能 答辩委员3 刘振娟 研究员北京化工大学最优控制 答辩委员4张金会副教授北京化工大学网络化控制系统 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 两种牌号之间的切换进行优化控制，能够减少过渡料的数量，降低生 产成本，有着重要的经济意义。 本文以u n i p o l 气相法工艺为例，对乙烯聚合的机理进行了深入 的研究，并在此基础上，结合h 锄m e r s t e i n 模型的特点，采用 h a m m e r s t e i n 模型来描述聚乙烯生产过程，加入非线性求逆环节，用 p s os v m 算法从稳态数据中获取聚乙烯过程的非线性稳态模型的逆 模型，将已经辨识出来非线性部分的s v m 逆模型与原非线性被控对 象串联而构成了一个伪线性系统，利用特征建模方法对此伪线性系统 进行建模；在控制器设计方面，对l m i 算法及模糊控制进行了研究， 最后将新的算法应用于p i d 控制器设计问题，进而得到了满意的控制 效果。 最后，在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下，开发了较完整的控制器性 能评价及参数优化软件包。该软件包设计针对典型过程控制回路，在 仿真基础上可进行在线控制。通过实际项目的实施，减少了操作人员 的工作负担，提高了实际装置的控制品质，降低了生产成本。 北京化丁大学顾十学位论文 关键词：聚乙烯，非线性系统，h a m m e r s t e i n 模型，逆模型，粒子群 算法，支持向量机 i l a b s t r a c t m o d e l i n ga n dp i dc o n t r o l l e rd e s i g ni n i n d u s t r i a lp o l y e t h y l e n ep r o c e s s a b s t r a c t m e l ti n d e xa n dr e s i nd e n s i t ya r ev e 巧i m p o r t a n tp r o p e n i e s ， i nt h e p r o d u c t i o no fl a 昭e s c a l ep o l y e t h y l e n ep l a n t i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ， e s t a b l i s h i n ga c c u r a t ee t h y l e n ep o l y m e r i z a t i o np r o c e s sm o d e l ， o p t i m i z i n g t h e g r a d et r a n s i t i o n ， r e d u c i n g t h e q u a n t i t yo fi n t e ma n dc o s to f p r o d u c t i o n ， a r es i g n i f i c a n tt ot h ep r o f i tf o r t h ee n t e 印r i s e e t h y l e n e sp o l y m e r i z a t i o nm e c h a n i s mw a sb n e f l yi n t r o d u c e db a s e d o nt h eu n i p o lp i o c e s s ， a n dt h e nd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fe t h y l e n e p o l 舯e r i z a t i o n b a s e do nt h eh a m m e r s t e i nm o d e l ，a d ds o l u t i o nt h e i n v e r s et h en o n l i n e a rp a r t ， i d e n t i f i c a t i o no ft h en o n l i n e a rs t e a d ys t a t e i n v e r s em o d e li si n t e g r a t e dw i t ht h es v m t h e o i ya n dp s o ， ap s e u d ol i n e a rs y s t e mw a sc o n s t i t d t e d b ys e r i e sc o n n e c t i o no f i n v e r s em o d e la n dt h en o n l i n e a ro b j e c t ， f e a t u r em o d e l i n ga l g o r i t h mh a s b e e nu s e dt oi d e n t i 矽t h em o d e l o nt h ec o n t r o h e rd e s i g n ， r e s e a r c ht h e l m ia l g o r i t h m ，a n dt h ea l g o r i t h mw a se x t e n d e dt od i s c r e t e s y s t e m s b o t hn u m e r i c a le x 锄p l ea n di n d u s t d a lp r o c e s sa p p l i c a t i o na r eg i v e nt o i l l u s t r a t et h ed e s i g np r o c e d u r ea n di t se 腩c t i v e n e s s 1 i l 北京化t 人学硕i j 学位论文 i na d d i t i o n ， as o f t w a r ep a c k a g ew i t hc o n t r - o n e rp e 墒n n a n c e e v a l u a t i o n ， p a r a m e t e r st u n i n ga n do p t i m i z a t i o nd e s i g n e df o rat y p i c a l p r o c e s s c o n t r o l l o o p t h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o j e c tt o i m p r o v ec o n t r o lq u a l i t y ，r e d u c e t h ep r o d u c t i o nc o s ta n dt h ei e g u l a t i o no f o p e r a t o r sw o r k k e y w o r d s ：p o l y e t h y l e n e ， n o n l i n e a rs y s t e m ，h a m m e r s t e i nm o d e l ， i n v e r s em o d e l ，p s oa l g o r i t h m ， s v m i v 目录 目录 第一章绪论。l 1 1 聚乙烯1 1 】【1 聚乙烯分类1 1 1 2l l d p e 及其生产工艺概况1 1 1 3 聚乙烯聚合过程机理分析3 1 1 4 美国联碳公司的气相流化床工艺4 1 2 国内外聚乙烯生产情况概述4 1 3 研究背景及意义。5 1 4 本文的主要研究工作6 1 5 论文结构6 第二章聚乙烯生产过程建模9 2 1h a m m e r s t e i n 模型9 2 2 非线性系统的逆系统l o 2 2 1 模型的可逆性1 1 2 2 2 右逆系统l2 2 3 聚乙烯生产过程1 4 2 3 1 聚乙烯质量指标模型1 4 2 3 2 聚乙烯反应过程h a m m e r s t e i n 模型15 2 3 3 熔融指数模型的逆l6 2 4 基于p s os v m 的h a m m e r s t e i n 模型辨识1 7 2 4 1p s o 算法概述l7 2 4 2s v m 算法概述18 2 4 3 基于p s o 的s v m 算法19 2 4 4 非线性稳念部分逆模型及模型的辨识2 0 2 4 5 线性动态部分模型的辨识2 4 2 5 基于特征建模的伪线性系统辨识2 4 2 5 1 基于特征建模的伪线性系统辨识2 5 2 5 2 仿真2 8 v 北京化t 人学颂i ：学化论丈 第三章基于l m i 的p i d 控制器性能评价及参数设计3 l 3 1 引占31 3 2 模糊控制3 2 3 3 控制器性能评价3 3 3 4 控制系统及控制器描述3 4 3 4 1p i d 控制器描述3 4 3 4 2 被控对象描述3 6 3 5 基于l m i 的l q g 控制器性能评价3 7 3 6 模糊p i d 控制器设计4 0 3 7 实例仿真4 4 3 7 1 仿真l 4 4 3 7 2 仿真2 4 5 第四章软件开发及工业应用4 9 4 1 软件概述4 9 4 2 算法设计4 9 4 3 软件没计5 0 4 3 1 设计概要5 0 4 3 2 设计工具5 l 4 3 3 详细设计5 1 4 3 4 安全性设计5 5 4 4 工j 也应用实例5 6 4 4 1 应用实例l 5 6 4 4 2 应用实例2 5 8 4 5 结1 念6 0 第五章结论与展望6 l 5 1 结论一6 l 5 2 展望6 l 参考文献6 3 v l 致谢6 7 研究成果及发表的学术论文6 9 作者和导师简介7l v i i 北京化t 人学颀i j 学位论文 v l i l 1 3p u r p o s ea i l ds i g i l i f c a t i o no f r e s e 疵h 4 1 4m a i nc o n t e n ti nm i st h e s i s 5 1 5s t n l c t l l r ei nm i st h e s i s 6 c h a p i t e r2p o l y e t h y l e n em o d e l i n g 9 2 1h a 】姗e r s t e i nm o d d 9 2 2i n v e r s es y s t e mo f n o n l i n e a rs y s t 锄1 0 2 2 1m o d e lr e v e r s i b l e 1l 2 2 2r i g h ti n v e r s es y s t e m 1 2 2 3p o l y e t h y l e i l ep r o d u c t i o np r o c e s s 1 4 2 3 1p o l y e m y l e n eq u a l i 够i n d e x 1 4 2 3 2p o l y e t h v l e n e sh 锄m e r s t e i nm o d e l 15 2 3 3i n v c r s em o d e lo f m i 1 6 2 4i d e n t i f i c a t i o no fh a m m e r s t e i nm o d e lb a s e do np s os v m 17 2 4 1p s oa l g o r i m m 1 7 2 4 2s v ma l g o r i t h m 18 2 4 3p s os v ma l g o r i t h m 一l9 2 4 4n o n l i n e a r s t e a d vs t a t em o d e l i d e n t i f i c a t i o n 2 0 2 4 5l i n e a rd v n a m i ci d e n t i f i c a t i o n 2 4 2 5i d e n t i f i c a t i o no f p s e u d ol i n e a rs y s t e mb a s e do nc h a r a c t 耐s t i cm o d e i i n g 2 5 2 5 1i d e n t i f i c a t i o no fp s e u d ol i n e a rs y s t e mb a s e do nc h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n g 2 6 2 5 2s i m u l a t i o n 2 9 i x 北京化t 人学颀i ：学位论文 _ 一 c h a p t e r 3p l dc o n t r o u e rp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tb a s e do nl m i a n d d e s i g n ”3 1 3 1i i l t r o d u c t i o n j 1 3 2f u z z vc o n t r o l j z 3 3i n t r o d u c t i o no f c o n t r o l l e rp e r f o m a n c ea s s e s s m e n t j j 3 4c o n t r o ls y s t 锄a n dc o n t r o l l e rd e s 嘶p t i o n j 4 3 4 1p i dc o n t r o u e rd e s c r i p t i o n j 斗 3 4 2c o n t r o ls y s t 锄d e s c p t i o n j o 3 5p i dc o n 仃o l l e rp e r f b m l a i l c ea s s e s s m e n t b a s e do nl m i 3 7 3 6f u z z yp i dc o n t r o l l e rd e s i 印4 0 3 7s i m u l a t i o n ”4 4 3 7 1s i m u l a t i o n1 4 4 3 7 2s i m u l a t i o n2 4 5 c h a p t e r4c o n t r o ll o o ps o f l w a r ep a c k a g ed e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n ”4 9 4 1h l t r o d u c t i o n 4 9 4 2a 1 9 0 r i t h m i cd e s i 印o fs o r w a r ep a c k a g e 4 9 4 3s o f 押a r ed e s i 盟”5 0 4 3 1d e s i 印s u 衄a r y 5 0 4 3 2d e s i 朗t o o l s 5 i 4 3 3d e t a i lo f d e s i 印l 4 3 4s e c u r i t yd e s i 盟5 5 4 4i n d u s t 叫a p p l i c a t i o n 5 0 4 4 1i n d u s 竹a p p l i c a t i o n1 一5 6 4 4 2i n d u s t r ya p p l i c a t i o n2 5 8 4 5s u m m a r y 6 0 c h a p t e r 5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 。”一”6l 5 1c o n c l u s i o n 6 l x x i 北京化t 人学硕 ：学位论义 一一 第一章绪论 1 1 聚乙烯 1 1 1 聚乙烯分类 第一章绪论 聚乙烯( p 0 1 y e t h y l e n e ，简称p e ) 是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，是 日常生活中应用最广泛的高分子材料。在工业上，也包括乙烯与少量a 一烯烃的 共聚物。聚乙烯为白色蜡状半透明材料，无臭无毒，比水清，吸水性小，耐低温 性能优良( 最低使用温度可达7 0 1 0 0 ) ，化学稳定性好，耐腐蚀性强( 不耐具 有氧化性质的酸) ，常温下不溶于任何已知溶剂中，耐热老化性差，电绝缘性能 优良【。 聚乙烯是五大合成树脂( 包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和a b s 树脂) 之一，是我国合成树脂中产能最大、进口量最多的品种。目前，我国已成 为世界上最大的聚乙烯进口国和第二大聚乙烯消费国。其主要特点是性能较好且 价格便宜，可广泛应用于工业、农业、包装以及r 常生活中，在塑料工业中占有 举足轻重的地位。聚乙烯的性质因品种而异，主要取决于分子结构和密度， 主要分为高密度聚乙烯( h d p e ，又称低压聚乙烯) 、低密度聚乙烯( l d p e ) 、线 性低密度聚乙烯( l l d p e ) 三大类【2 】。 1 1 2l l d p e 及其生产工艺概况 线性低密度聚乙烯( l i n e a rl o wd e l l s i t yp o l y e t h y l e n e ，简称l l d p e ) 是少量高 级a 烯烃( 如丁烯1 、己烯1 、辛烯1 、四甲基戊烯1 等) 与乙烯在催化剂及低温 条件作用下，经高压或低压聚合而成的一种共聚物。线性低密度聚乙烯是一种塑 料材料，具有更高的抗伸强度、抗穿透性、抗撕裂性和伸长率，它适合热塑性成 型加工的各种成型工艺，成型加工性好。如今l l d p e 已渗透到薄膜、模塑、 管材和电线电缆等聚乙烯传统市场。 通常，用密度和熔融指数来表征l l d p e 树脂特性。共聚单体的浓度决定了 聚合物的密度和聚合物中的短支链量。共聚单体浓度越高，树脂的密度越低。共 聚单体的类型决定短支链的长度。此外，熔融指数可反映出树脂的平均分子量， 主要受加入链转移剂( 气相法) 和反应温度( 溶液法) 的影响。平均分子量与分子量 分布( m w d ) 无关，而分子量分布主要受催化剂选择影响。 北京化丁人学硕l ：学位论义 2 0 世纪7 0 年代，线性低密度聚乙烯由联碳公司( u n i o nc a m i d e ) 工业化， 此次工业化使聚乙烯工艺技术和催化剂发生了重大变革，显著扩大了聚乙烯的产 品范围。 在1 9 8 4 年末，当时的联碳公司引入了己烯共聚线性低密度聚乙烯的生产技 术，紧随其后e x x o n 、m o b i l 等公司也引入了此项技术。d o wc h 锄i c a l ( 陶氏化学 公司) 在其低压溶液工艺中几乎全部采用辛烯作为共聚单体，加拿大n o v a ( 诺瓦 化工1 也在其中压溶液工艺中大部分采用辛烯作为共聚单体。辛烯共聚线性低密 度聚乙烯树脂具有略好的强度、加工性能和抗撕裂性能，而己烯共聚和辛烯共聚 树脂的性能差别不大。目前世界上，生产己烯线性低密度聚乙烯树脂的主要厂商 有e a s t i i l a nc h 锄i c a l ( 伊士曼化学公司) 、e q u i s t 叫等星公司) 、e x x o n m o b i l c h 锄i c a l ( 埃克森美孚化工公司) 和c h e v r o np h i l l i p s ( 雪佛龙菲利普斯化学公司) 等。 此外，d o wc h e i n i c a l ( 陶氏化学公司) 、b a s e l l ( 巴塞尔公司) 、i n n o v e n e ( 亿诺公司) 、 s 锄s u n gt o t a l ( 三星道达尔公司) 等也生产己烯线性低密度聚乙烯【3 】o 聚乙烯的生产方法主要有4 种：高压法、气相法、溶液法和淤浆法。但目前， 世界上生产l l d p e 树脂通常采用气相法和溶液法工艺。气相法( 物料在反应器 中的相念类型) 和液相法( 分为溶液法和淤浆法) 。 在溶液法工艺中，加拿大n o v ac h 锄i c a l sc o 平o r a t i o n 的中压法和美国d o w c h 锄i c a l 的冷却低压法占绝对优势。这两种工艺均可切换生产l l d p e 和h d p e 。 d o w 公司的低压溶剂法工艺在其自有工厂己得到广泛的应用。此工艺中， 首先在3 9 5 磅平方英寸( p s i ) 和1 6 0 的条件下，将改性的z i e g l e r 催化剂溶液和 辛烯1 、乙烯和c 8 c 9 异构链烷烃溶剂一起送入两台串联的搅拌反应器中，进行 反应。第二台反应器的溶液中的聚合物的含量为1 0 ，两台反应器中的总停留时 间为3 0 分钟。然后，在3 5 磅平方英寸的绝压条件下，对反应器的流出物进行 闪蒸，以除去溶液中的乙烯。最后，采用加热闪蒸方法除去溶剂，对剩余聚合 物进行挤压造粒。 加拿大n o v a 公司的中压s c l a i r t m 溶液法工艺系由加拿大杜邦公司 ( d u p o n tc a n a d a ) 丌发，该工艺是溶液法中生产能力最大、发展最快的一种。 1 9 9 4 年中期，n o v ac h e l i c a l s 公司从加拿大杜邦公司购买了s c l a i r t m 技术及 其世界技术转让业务，并在此技术的基础上，采用新代的非茂金属催化剂，开 发出了s c l a i r i i t m 双峰技术。 u n i v a t i o n 公司的低压气相流化床工艺，即u n i p o l t m 工艺，是l l d p e 生产 应用最普遍的工业化工艺，具有投资和操作费用较低，对环境污染较少等特点。 在此工艺中，乙烯、共聚单体门一烯1 或己烯1 ) 和催化剂进入流化床反应器，在 操作条件为1 0 0 和2 5 m p a 下聚合，生成颗粒状聚合物。其特点是用常规的茂 2 第一章绪论 金属催化剂无需脱除催化剂步骤，并能由反应器中连续地取出聚合物产品颗粒。 在流化床反应器中，循环的乙烯共聚单体物流将增长的聚合物颗粒流念化。外 部冷却器将循环物流冷却，并除去反应热。u n i p o l t m 工艺采用s h e l l 的超高活性 催化剂( s h a c ) ，也可用于生产聚丙烯。目前国内茂名、吉化、扬子、天津、中 原、广州、大庆、齐鲁等石化装置中都采用了该项技术。 此外，8 0 年代崛起的b pc h 锄i c a l s 公司的气相流化床工艺与u n i p o l t m 工 艺大体相同，仅将冷凝液送入流化床的方式略微有所不同。u n i p o l t m 的方法是 先不对循环物流与冷凝液进行分离，冷凝液随循坏物一起送入流化床反应器。而 b p 是先进行循环物流与冷凝液分离，然后利用置于流化床内的喷咀将其雾化， 最后送入流态化床层。 1 1 3 聚乙烯聚合过程机理分析 烯烃可以在引发剂或催化剂的作用下，断裂双键并相互加成，进而得到长链 的大分子或高分子化合物。由低相对分子质量的有机化合物相互作用而生成高分 子化合物的反应叫做聚合反应。聚合反应中，参加反应的低相对分子质量化合物 叫做单体，反应中生成的高相对分子质量化合物叫做聚合物。聚乙烯是结构最简 单的高分子，也是同常生活中应用最广泛的高分子材料，它的分子结构是由一系 列重复的 - c h 2 一】连接而成的，是通过乙烯( c h 2 = c h 2 ) 的加成聚合反应生 成的，而聚丙烯则是由单体丙烯聚合而得。 生产工艺原理 在反应压力1 8 2 4 m p a g 和反应温度8 0 1 1 0 的条件下，将呈气相状态的丁 烯1 共聚单体和乙烯单体送入流化床反应器，同时连续地将一定量的催化剂和助 催化剂注入，反应物在反应器中进行共聚反应，共聚过程完成后，生成粉状聚乙 烯树脂。树脂密度的控制可以通过调节乙烯单体和共聚单体的摩尔比值来实现， 调节链转移剂氢气和乙烯的摩尔比值来实现熔融指数控制。 ( 2 ) 主要化学反应方程式 一r + m 即删：专一c c h 川蚴r cf h 一蚴x nh 2 c = c h 2r 北京化丁人学顾l j 学位论文 1 1 4 美国联碳公司的气相流化床工艺 u n i p o l 是美国联合碳化物公司( u c c ，该公司现与e x x o n 公司合资后改名 为u n i v a t i o n 公司) 采用低压气相流化床用以生产乙烯( 共) 聚合物的技术。 美国联碳公司( u c c ) 的u n i p o l 气相法工艺。该工艺与b p 气相法工艺大同小 异，但u c c 产品范围较广，品种较多，采用4 种不同的催化剂生产全密度范围 分子量分布由窄到宽、熔体指数由o 9 l 1 0 m i n 1 2 5 1 0 m i n 的各种树脂。在各 种工艺中，u c c 气相法产品范围最广。b p 工艺采用一种催化剂生产全密度聚乙 烯，熔体指数由o 3 5 1 0 m i n 3 0 1 0 m i n ，分子量分布窄，当生产宽分子量分布 的牌号时，要在挤压造粒时加助剂，但牌号较少。 u n i p o lp e 工艺的装置一般由4 部分组成：单体净化、聚合反应、树脂脱气 和树脂造粒。工艺流程如图1 1 所示。 簇：o 携：缩艇 强震奄l 体 图l lu n i p o l 气相聚乙烯i ：艺流程图 f i g 1 - lu n i p o lg a sp h a s ep o l y e t h y l e n ep r o d u c t i o nc ) ，c l e 1 2 国内外聚乙烯生产情况概述 聚乙烯( p e ) 广泛应用于我国通用合成树脂领域，主要用来制造薄膜、电 线电缆、日用品、容器、管道、单丝、等，其中薄膜( 包括农膜) 是其最大的用 户，约占低密度聚乙烯总消耗量的7 7 ，高密度聚乙烯总消耗量的1 8 。石油 4 第一章绪论 化工行业的发展，促使聚乙烯生产业迅猛发展，其产量约占塑料总产量的四分之 一。同时，由于中国国民经济的持续高速发展，为合成树脂工业营造了有利的发 展氛围，使得聚乙烯( p e ) 产业更是以较快的速度不断的增长。 根据国家统计局统计数据，2 0 0 9 年1 1 2 月国内聚乙烯累计产量为8 1 2 9 万 吨，较2 0 0 8 年( 6 8 9 5 万吨) 增加1 2 3 4 万吨，同比增长7 1 ；2 0 0 9 年全年累 计进口聚乙烯7 4 0 8 5 万吨，较2 0 0 8 年( 4 4 9 5 8 万吨) 增加2 9 1 2 7 力吨，同比分 别增长6 4 8 。 未来几年间，亚太地区的聚乙烯新项目主要位于中国、印度和韩国。中国正 逐步踏上世界上最大的薄膜和p e 包装袋出口国的道路，将继续成为动力源泉， 主要为北美、西欧和日本提供大量聚乙烯产品。此外，各行业对管材、编织袋、 电缆料、中空容器、薄膜、周转箱等聚乙烯制品需求量的飞速增加，也将促使聚 乙烯消费量快速增长。 1 3 研究背景及意义 l d p e 优异的性能和低廉的价格使其广泛应用于薄膜产品、注塑制品、医疗 器具、药品和食品包装材料、吹塑中空成型制品等许多领域。但是，不同的用途 对聚烯烃树脂的特性要求也不相同，为了满足市场对不同牌号产品的生产需求， 企业须在同一套生产装置中生产多种牌号的聚合物，从而产生了牌号切换的操作 过程将一组聚合工艺条件按生产工艺要求切换到另一组聚合工艺条件的操 作过程【4 1 。 聚乙烯工业的生产技术的研究一直是学术界关注的热门研究领域之一，本文 重点讨论聚乙烯连续生产过程的建模以及牌号切换过程中控制器设计问题。聚乙 烯生产过程的建模是牌号切换控制的基础，由于反应机理的不确定性、聚合过程 的强非线性与时变性、状态变量之间的强耦合性，聚乙烯生产过程的建模一直是 学术界研究的一个难点。在聚乙烯熔融指数和密度的可调范围内有上百种的品种 牌号，在生产中，企业需要根据市场对不同牌号的需求，经常的进行牌号切换。 牌号切换的效益与牌号切换的过渡时间和切换过程中产生的过渡料数量有关，切 换过程中产生的过渡料不属于任何一个牌号的产品，是最低档的混合产物或者废 品。由于工业聚乙烯反应时间较长，一般为几到几十小时，这样就产生了大量的 过渡料。所以企业要增强自身竞争力就必须尽量缩短牌号切换的时间，以减少过 渡料的数量，降低生产成本。 综上所述，建立准确的乙烯聚合过程模型，在生产中，对两种牌号之间的切 换进行优化控制，能够减少过渡料的数量，降低生产成本，有着重要的经济意义。 北京化丁人学硕i ：学位论文 精密控制聚乙烯的主要质量参数熔融指数和密度是企业提高经济效益的重 大举措。如何通过过程先进控制与优化操作，使聚乙烯生产既能满足不同用户、 不同用途的需要，同时也能最大限度地缩短不同牌号问切换的过渡时间、减少由 于牌号切换产生的副产品，使牌号切换所引起的经济损失最小，已成为我国聚乙 烯行业急待解决的重大课题。 1 4 本文的主要研究工作 本文概述了聚乙烯工业现状，指出了对聚乙烯生产过程进行研究的重要意义。 后面的章节将在前人研究的基础上进一步研究聚乙烯连续生产过程建模和p i d 控制器设计问题，包括乙烯聚合机理分析、u n i p o l 乙烯气相聚合生产工艺简介、 聚合过程建模以及p i d 控制器设计等。本文以u n i p o l 气相法工艺为例，对乙烯 聚合的机理进行了深入的研究，并在此基础上，结合h a m m e r s t e i n 模型的特点， 加入非线性求逆环节，用p s os v m 算法从稳念数据中获取聚乙烯过程的非线性 稳态模型的逆模型，将已经辨识出来非线性部分的s v m 逆模型与原非线性被控 对象串联而构成了一个伪逆线性系统，利用特征建模方法对此伪线性系统进行建 模：在控制器设计方面，对l m i 算法进行了研究，并通过数值实验仿真对各种 算法的性能进行了比较，最后将新的算法应用于p i d 控制器设计问题，进而得到 了满意的控制效果。 1 5 论文结构 论文的主要安排如下： 第一章：绪论 本章首先介绍聚乙烯分类、l l d p e 的概念、工艺等。其次简单介绍了目前 国内外聚乙烯的生产现状及其在国民经济中的重要作用，指出了研究工作的重要 意义。最后介绍了本文的研究背景、意义和主要的创新点，给出了本文的总体写 作思路和文章结构。 第二章：聚乙烯生产过程模型的建立 本章首先介绍了h a m m e r s t e i n 模型、逆系统方法及p s os v m 算法，然后介 绍了聚乙烯质量指标的机理模型，并根据其模型特性分析了其模型的可逆性，最 终用h a l m e r s t e i n 模型描述其过程模型；在开始辨识模型前，首先需要采集工业 实时数据；然后利用实时数据，使用p s os v l 算法从稳态数据中获取聚乙烯过 6 第一章绪论 程的非线性稳态模型的逆模型，将已经辨识出来非线性部分的s v m 逆模型与原 非线性被控对象串联，使非线性稳念模型的逆模型非线性稳态部分相抵消，则原 系统转化为一个伪逆线性系统，从而将非线性对象的控制问题转化为普通的线性 对象控制问题，利用特征建模方法对此伪线性系统进行建模，进而得到聚乙烯生 产过程模型。 第三章：基于l m l 的p i d 控制器性能评价及参数设计 本章首先介绍了l m i 方法及模糊p i d 控制器，然后提出了一种基于l q g 性 能指标的p i d 控制器性能评价的设计方法。所提方法将p i d 控制器性能评价问 题，转化为线性矩阵不等式( l m i ) 凸优化问题进行求解。在性能评价的基础上， 进行模糊p i d 控制器设计。 第四章：注册软件开发及工业应用 介绍了针对l l d p e 装置的生产模型开发软件中使用到的理论以及开发软件 的目的，并对软件在工业过程控制中的应用进行了简单介绍，最后叙述了软件的 使用方法。 第五章：结论 最后一章对本论文的主要工作和贡献进行总结，并对其进一步研究工作进行 了展望。 7 北京化t 人学硕 ：学位论文 8 h 锄m e r s t e i n 模型的非线性部分在前【5 1 。由于h a m m e r s t e i n 模型6 吲中非线性部分 无需以自订的输入、输出信息，计算量要少于、m e n e r 模型，因此h 锄m e r s t e i n 得 到了更广泛的应用。 h a m m e r s t e i n 模型描述的非线性系统是由一个非线性环节f ( ) 和一个动态 线性环节g ( ) 以串联形式构成的，该类模型最大的优点在于结构简单，容易辨 识。h a m m e f s t e i n 模型如图2 1 ： 输入 中间层输入 输出 图2 - lh a m m e r s t e i n 模? 鸭 f i g 2 1h a m m e r s t e i nm o d e l 其中y ( 尼) ，工( 尼) ，甜( 尼) 分别为系统输出、中l 日j 变量和系统输入，中问层x ( 尼) 既是非线性环节的输出，也是线性动态环节的输入，实际过程中是不可测量的。 图中非线性环节f ( ) 和线性环节g ( ) 可表示为： f ： 石( 七) = ，( “( 尼) )( 2 一1 ) g ： 彳( z 。1 抄( 尼) = b ( z 。1 ) 石( 后) 其中 9 ( 2 2 ) 北京化- t 人学顺f ：学位论文 么( z 1 ) = 1 + 口l z 。1 + + 口。z ” b ( z j ) = l + 6 l z j + + 吃z 1 则图中输入输出关系可以表示为： 夕( 尼) 2g ( 尼) f ( “( 尼) ) ( 2 3 ) 非线性部分又可近似为如下的形式： x ( 后) = f ( “( 足) ) = 2 唾z ( 甜( 七) ) j = l 氖) 为己知非线性基函数，d i 为未知参数矩阵。 假设一非线性系统由h a m m e r s t e i n 模型所描述，即： y = = 粥u ( 2 - 4 ) 其中，f ( ) 为非线性环节，g ( ) 为线性环节。假设f ( ) 可逆且其逆模型为 f 。1 ( ) ：局_ ，则有： f f 。、xd = f u d = x