（控制理论与控制工程专业论文）精馏塔的模型化与先进控制算法研究.pdf

沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 yg o a t 7 7 摘要 精馏是化工、石油、医药等领域常见的生产过程，是较为典型的单元生 产过程。由于精馏过程变量多、变量关系复杂，使建模控制与优化成为理论与 实践研究中十分重要的环节。本文针对某厂实际精丙烯精馏生产过程，深入分 析了精馏过程的特点，较系统地研究了二元精馏过程模型、对一些可以应用于 实际的先进控制算法进行了探讨，主要内容及结果如下： 1 针对实际精馏过程，对工艺及过程进行了深入分析，在分析几种理论精馏过 程建模方法的基础上，研究并建立二元精馏过程的仿真模型，由于塔板数较 多，模型的阶次较高，对其进行了降阶设计，该模型较精确可行且收敛稳 定，有利于工程应用。在对模型进行仿真检验中，模型计算结果与现场实测 结果较为接近，满足较高的工程精度要求。 2 针对反映实际精丙烯精馏过程的模型，对先进控制算法进行了探讨，主要是 结合解耦控制，模型预测控制等较有可能应用于实际的控制算法控制方案进 行研究，仿真结果表明了控制方案与算法的有效性，适合生产投运。 关键词：精馏建模降阶控制系统解耦控制预测控制 素经怍警、。_ 同意 锄垒爱公栉 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 a b s t r a c t d i s t i l l a t i o np r o c e s su n i ti sat y p i c a lu n i t ，w h i c hi sc o n u u o ni nt h ei n d u s t r i a la n d m e d i c a lf i e l d s i nd i s t i l l a t i o np r o c e s s ，t h en u m b e ro f v a r i a b l e si sl a r g e ，t h u st h e m o d e l i n g a n do p t i m i z a t i o no f d i s t i l l a t i o nc o l u m nh a sb e c o m eap r o b l e mi nt h ef i e l d o f t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n t h i s t h e s i si sc o n c e r n e dw i t ht h e p r o c e s s m o d e la n d c o n t r o la l g o r i t h mo fb i n a r yd i s t i l l a t i o nc o l u m n sb a s e do nt h ef e a t u r e so f b i n a r y d i s t i l l a t i o ni nt h ep r o c e s so f r e f i n e dp r o p y l e n ed i s t i l l a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n s a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ep r a c t i c a lr e f i n e dp r o p y l e n ed i s t i l l a t i o np r o c e s s ，t h e m o d e lo ft h ed i s t i l l a t i o nc o l u m ni se s t a b l i s h e d ，i nf a c t ，t h eo r d e r so f t h em o d e la r e r e d u c e db e c a u s et h e ya r ev e r yh i 曲t h el o wo r d e rm o d e li su s e f u la n df e a s i b l e ， a n d s t e a d yc o n v e r g e n c e ，w h i c h m a k ei tm o r es u i t a b l ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 2 u s i n g t h em o d e lo f t h ep r e c i s ep r o p y l e n er e c t i f i c a t i o nc o u r s e ，a d v a n c e dc o n t r o l a l g o r i t h m a r ed i s c u s s e dc o m b i n i n g m a i n l y w i t hm o d e l p r e d i c t i v ec o n t r o la n d d e c o u p l i n g c o n t r o lw h i c h m a ya p p l y i n t or e a l i t y s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h e c o n t r o ls c h e m ea n dc o n t r o la l g o r i t h ma r es u i t a b l ef o rp r o d u c i n ga n d p u t t i n g i n t oo p e r a t i o n k e y w o r d s ：d i s t i l l a t i o nm o d e l i n g r e d u c e do r d e rc o n t r o ls y s t e m d e c o u p l i n g c o n t r o lm o d e l p r e d i c t i v ec o n t r o l 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 第一章 1 1 引言 精馏塔的模型化与先进控制算法 综述 精馏是应用极为广泛的传质过程。精馏装置是耗能最大的单元之一。此 外，精馏塔是一个典型的多输入多输出对象，它的通道很多，动态响应缓慢， 内在机理复杂，参数间相互关联，各塔的工艺结构千差万别，因此建立合适模 型对精馏塔的控制由为重要。另一方面，随着我国经济体制的转变，国内的众 多过程工业企业目益感受到国际间竞争所带来的压力和挑战。在这种大的背景 下，积极开发和应用先进控制和实时优化技术以提高企业经济效益，进而增强 自身的竞争力是过程工业迎接挑战的重要策略。现代控制理论和人工智能几十 年来的发展以为先进控制奠定了应用理论基础，而控制计算机尤其是集散控制 系统( d c s ) 的普及与提高则为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平 台。总而言之，企业的需要，控制理论和计算机技术的发展是先进控制 ( a d v a n c ec o n t r 0 1 ) 发展强有力的推动力。先进控制是对那些不同于常规单回 路控制，并具有比常规p i d 控制更好的控制效果的控制策略的统称，而非专指 某些计算机控制算法。 1 2 精馏塔的模型化 1 2 1 引言 精馏是化工炼油生产中应用极为广泛的传质分离过程，其目的是将混合 物中各组分分离，达到规定的纯度，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，液相中的轻 组分转移到汽相中，而汽相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目的。 随着石油化工的迅速发展，精馏操作应用越来越广泛。由于所分离的物料 组分不断增多，对分离作用产生的产品的纯度要求亦不断提高，这就对精馏的 控制提出了更高的要求。 而一般来说，化工过程的数学模型的建立有两类不同的途径，一种是从内在机 理出发，导出机理模型，二是依据输入输出测试数据，通过系统辨识和参数估计，得 出数学模型，当然，也有把二者结合起来的方法 本次论文的建模采用某化工厂实际分离过程作为研究对象，采用机理建模方 法，为了使丙烯与丙烷等的混合物分离开，从而得到高纯度的丙烯，该厂采用了精 丙烯塔。在丙烯精馏过程中要受到很多干扰，为了使产品达到要求应当想办 法降低这些干扰。 i 2 2 丙烯精馏过程工艺描述 经脱硫后的液化石油气，自装置外进入脱丙烷塔进料罐，由脱丙烷塔进料 泵抽出，经原料预热器升温至6 7 9 后进脱丙烷塔第2 8 块塔板上。塔顶气体 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 ( 4 8 ，4 。c ) 先后经脱丙烷塔顶空冷器，脱丙烷塔顶后冷气冷凝冷却到4 5 6 进 入脱丙烷塔回流罐，一部分由脱丙烷塔回流泵送至塔顶作回流。另一部分出脱 乙烷塔进料泵抽出，经脱乙烷塔迸料加热器加热到6 3 1 进脱乙烷塔第1 4 块塔 板上。脱丙烷塔底液体( 1 0 9 7 。c ) 出塔后一部分经丙烷重沸器循环返塔，另一 部分自压进入轻重碳四分离塔中部，作为该塔进料。 脱乙烷塔塔顶气体( 5 2 ) 经冷凝器冷凝至4 3 6 。c 进入脱乙烷塔回流罐，不 凝气至催化裂解装置或至燃料气管网( 催化裂解装置不开工时) ，冷凝液经脱 乙烷塔回流泵打回塔顶作回流。塔底物流( 6 4 5 ) 一部分经脱乙烷塔重沸器 循环返塔，另一部分自压进入精丙烯塔第1 2 4 块塔板，作为该塔进料。 精丙烯塔为三塔串联。c 塔塔顶气体进入b 塔塔底，b 塔塔顶气体进入a 塔 塔底。a 塔塔顶气相精丙烯( 4 8 3 ) 先后经精丙烯塔塔顶空冷器，精丙烯塔 顶后冷器冷凝冷却至4 5 9 6 c 进入精丙烯塔回流罐，然后由精丙烯塔回流泵抽 出。一部分返回a 塔塔顶作回流，另一部分经精丙烯冷却器冷却至出装置。a 塔塔底液体经精丙烯塔中间泵抽出，送入c 塔塔顶第1 2 1 块塔板，c 塔塔底液 体一部分经两台并联精丙烯塔重沸器循环返塔，另一部分丙烷馏分经丙烷冷却 器冷却至4 0 出装置。 轻重碳四分离塔塔顶气体轻碳四馏分经轻重碳四分离塔顶冷凝器冷凝 冷却至4 7 进入回流罐。 轻重碳四分离塔塔底液体一部分经轻重碳四分离塔重沸器循环返塔，另一 部分经碳四碳五冷却器冷却至4 0 c ，由轻重碳四分离塔底送出装置。 塔顶馏出液和塔底釜液的平均采出量之和应该等于平均迸料量，而且这两 个采出量的变动应该比较和缓，以利于上下工序的平稳操作，塔内及塔顶，塔 底容器的蓄液应介于规定的上下限之间。此外，塔内压力恒定与否对塔的平稳 操作有很大的影响。 为了使精丙烯塔操作正常进行，必须满足一些约束条件，例如，塔内汽液 两相的流速即不能过高，亦不能过低，因为流速过高，会引起液泛，而流速过 低，引起塔板效率大幅度降低，最好在稍低于液泛的流速下操作。流速的控 制，还要考虑塔的工作弹性。对于浮阀塔来说，由于工作范围较宽，通常很容 易满足条件。但对于某些工作范围较窄的筛板塔和乳化填料塔就必须很好地注 意。所以许多塔中，装有测量塔底与塔顶问压差的仪表有的还附有报警装置。 再沸器的加热温差不能大到超过“临界温差”等。 影响精馏塔的操作因素很多。精馏塔是建立在物料平衡和热量平衡的基础 上。一切因素均通过物料平衡和热量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。影响热平衡的因素主要是 进料温度( 热焓) 的变化，此外，还有环境温度的变化等。同时，物料平衡和 热平衡之间又是相互影响的。 为了克服扰动的影响，常用的控制方法是改变馏出液采出量d ，釜液 采出量b ，回流量。蒸汽量v ，冷剂q 中某些相的流量。 1 3 常规控制方案 在过程工业界，在4 0 年代开始，采用p i d 控制规律的单输入单输出简单反 馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。 按偏差的比例，积分，微分控制简称p i d 控制。p i d 控制是过程控制中广 泛应用的一种控制。p i d 控制器结构简单，参数易于调整在长期的工作实践中 已经积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，人们常用p i d 调节器。 自5 0 年代末发展起来的以状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控 制带来了状态反馈，输出反馈，解耦控制，白适应控制等一系列多变量控制系 统设计方法。与此同时，计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过 程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解许多过去认为是无法求 解计算的问题，这一切都孕育着过程控制领域的新突破。作为一个整体，先进 控制应包括从数据采集处理，数学模型建立，先进控制策略和工程实施的全部 内容。 1 4 先进控制 1 4 。1 先进控制的定义 先进控制是那些不同于常规单回路控制并具有比常规p i d 控制更好的控 制策略的统称，而非专指某种计算机算法。这些控制策略的先进性在于它们目 前在工业过程中尚很少使用，由于先进控制的内涵丰富，同时带有很强的时代 特征，因此至今对先进控制还没有严格的统一的定义，尽管如此，先进控制的 任务确是明确的，既用来处理那些采用常规、效果不好甚至无法控制的复杂工业 过程控制的问题，先进控制应用得当可带来显著的经济效益。以石化企业为例，一 个先进控制的年效益在百万元以上，其投资回报率在一年左右，丰厚的回报是其 惹人瞩目之处，通过实施先进控制提高系统动态性能，减少过程能量损耗，接近控 制优化值，从而将生产装置推向更接近其约束边界条件下运行，最终达到增强装 置运行的稳定性和安全性，保证产品质量的均匀性，提高目标产品收率，增加装置 处理量，降低运行成本，最终达到减少环境污染等目的 1 4 2 先进控制的主要特点： ( 1 ) 与传统的p i d 控制不同，先进控制是一种基于模型的控制策略，如模型 预测控制和推断控制等。目前基于知识的控制，如智能控制和模糊控制 正成为先进控制的一个重要方向 ( 2 ) 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制、问题，如大时滞多变量耦 合，被控变量和控制变量存在某种约束等。先进控制是建立在常规单回路 控制之上的动态协调约束控制，可使系统适应实际工业生产过程动态和 操作要求。 ( 3 ) 先进控制的实施需要足够的计算能力作为支持平台。由于先进控制受控 制算法的复杂性和计算机硬件两方面因素的影响，早期的先进控制算法 通常是在上位机上实施的。随着d c s 功能的增强，更多的先进控制策略 可以与基本控制回路一起在d c s 上实现。后一种方式可有效地增强先进 控制的可靠性，可操作性和可维护性。 从全厂的综合自动化的角度看，先进控制恰好起承上启下的地位，性能 良好的先进控制是在线优化得以实施的前提，进而可将企业领导者的经 营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实至全厂生产装置的实际运行 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 中并可真正实现全厂综合优化控制。先进控制在工厂综合优化控制的作 用如图1 1 所示。 厂 图1 1 先进控制在工厂的综合优化控制作用 1 4 3 先进控制的发展状况 在过程工业界，从4 0 年代开始，采用p i d 控制规律的单输入单输出简单 反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要 采用频率响应方法进行控制系统的分析设计和综合。目前p i d 控制仍广泛使 用。即便是大量使用d c s 控制的最现代化装置中，这类回路仍占总回路数的 8 0 一9 0 。这是因为p i d 控制算法是对人的简单而有效的操作方式的总结与模 仿，足以维护一般的工业过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用， 历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。然而单回路p i d 控制并不能适用于所 有的过程和不同的要求。从5 0 年代开始，逐渐发展了串级比值前馈均匀和 s m i t h 预估等复杂控制系统，既当时的先进控制系统。在很大程度上满足了单 t一上一一上l； 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 变量控制系统的一些特殊的控制要求。虽然它们从理论上看仍是经典控制的产 物，但是在结构和应用上各有特色，目前仍在不断的改进和应用。 在工业过程中，仍有1 0 一2 0 的控制问题采用上述控制策略无法奏效，所 涉及的过程往往具有强耦合性不确定性非线性信息不完全性和大纯滞后等特 征。并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部 分，直接关心到产品的质量产率和消耗等有关指标。随着过程工业日益走向大 型化连续化，对过程的控制品质提出了更高的要求，控制与经济的矛盾f i 益尖锐， 迫切需要一类合适的先进控制策略。 自5 0 年代末发展起来的以状念空间方法为主体的现代控制理论，为过程 控制带来了状态反馈输出反馈解耦控制白适应控制等一系列多变量控制系统设 计方法；对于状态不能直接测量的情形也有观测器和估计器等工具。然而当现 代控制理论真正应用于工业过程控制时，却遇到了前所未有的困难，以致产生 它是否适用于过程控制的困惑。究其原因，人们发现，除了上述多变量控制自 身的不足外( 例如解耦控制在约束处理和控制变更时缺乏灵活性) ，工业过程 的复杂性使得建立起正确的模型也比较困难。此外现代控制理论所需的数学基 础也在一定程度上限制了它被过程控制界所熟悉和了解，与此同时，计算机技 术的持续发展使得计算机控制在工业控制中得到广泛应用，强大的计算能力可 以用来求解许多过去认为无法求解的计算问题，这一切都孕育着过程控制领域 的新突破。1 9 8 0 年前后，来自过程控制届两位探索者j r i c h a l e t 和c r c u t l e r 分析报道了其各自研究的有关解决实时动态环境下带约束多变量耦合系统的控 制问题的成果。这一事实表明过程工业已开始接受现代控制概念，从而引发了 预测控制在工业过程的广泛应用。整个8 0 年代，出现了许多模型预测控制的工 程化软件，通过在模型识别优化算法控制结构分析参数整定和有关的稳定性和 鲁棒性的研究等一系列工作，基于模型控制的理论体系已经能够形成，并成为 目前过程控制应用最成功也最有前途的先进控制策略，近年来人工智能的技术 有了长足的进步并在许多科学与工程领域中取得了较广泛的应用。就过程控制 而言，专家系统神经网络模糊系统是最有潜力的三种工具，专家系统可望在过 程故障诊断监督控制检测仪表和控制回路有效性检验中获得成功应用，神经网 络则可为非线性过程建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统 的设计上。模糊系统不仅是行之有效的模糊控制理论基础，而且有望成为表达 确定性和不确定性的两类混合并提炼这些经验使之成为知识进而改善已有的控 制系统的工具，这是先进控制的重要内容。由于许多重要的工业过程都表现出 内在的非线性，如p h 中和过程使得那些基于模型的控制策略和传统的控制很 难奏效，早期的解决办法有变增益控制和针对特定过程来设计系统，近来有关 基于非线性模型机理和经验的控制有了很大的发展，但是非线性控制尚属开发 之中的先进控制策略，实际的工业应用尚不多见。 控制系统的鲁棒性是体现系统性能的重要标志，它体现了模型与实际过程 有出入的情况下控制品质的变化情况，在经典控制理论中，稳定裕度可反映系 统鲁棒性，当稳定裕度大时，控制系统品质对系统参数的变化不敏感，既有较 好的鲁棒性，现代控制理论则为鲁棒性的分析提供了更多方法，尤其是鲁棒控 制器单独提出之后。这一领域研究一直是控制理论解的研究热点并逐渐成为一 个独立分支，事实上，鲁棒控制的目的就是要设计出所希望下的操作条件下都 具有良好性能的控制器，这一点符合过程控制器的需要，与其说鲁棒控制器是 一种先进控制策略，倒不如说它是一种控制系统的设计思想，它可以用于各种 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 类型控制器( 包括从p i d 控制到复杂的多变量控制器) 的设计与整定，鲁棒控 制之所以在过程工业中应用较少的主要原因是在于其原理过于复杂尤其是对于 多变量问题，要使之成为解决任何控制问题的当然选择，尚需做大量的改进和 简化工作，应当看到使先进控制具有鲁棒性是今后发展的重要方向。 控制策略分类 按应用程度分类的过程控制策略 第一类传统控制策略 手动控制比值控制串级控制前馈控制 第二类先进控制经典技术 增益调整时滞补偿解耦控制选择性超驰控制 第三类先进控制流行技术 模型预测控制统计质量控制内模控制自适应控制 第四类先进控制潜在技术 最优控制专家系统非线性控制神经控制器模糊控制 第五类先进控制研究中的策略 鲁捧控制h 。和“综合 1 4 4 先进控制的核心内容 a 多变量动态模型辨识技术 获取动态数学模型是先进控制的基础。对于复杂工业过程，需要强有力的 辨识软件，以便在提出一些过程虚假数据的基础上把分段数据有机的组合起 来，最终用实际工业生产环境下进行现场装置试验的数据，获得多输入多输出 的实际模型。实际过程模型化是一门专门的技术，它涉及到过程动态学系统辨 识统计学以及人工智能等多种知识，尽管目前类似模型预测控制这样的先进控制 均采用工业试验的方法来获取控制模型，但是那些准确并可靠的机理模型和智能 模型建立也有望成为有效的控制模型。 b 先进控制策略 先进控制策略采用了合理的控制目标和控制结构，可更好的适应工业生产 过程的需要先进控制主要解决( 1 ) 个别重要过程变量控制性能的改善，主要 采用单变量模型预测控制与原控制回路构成所谓的透明控制的方式( 2 ) 解决 约束多变量过程的协调问题，主要采用带协调层的多变量预测控制策略( 3 ) 推断质量控制利用软测量的结果实现闭环的质量卡边控制，涉及到主要控制策 略有模型预测控制、推断控制、质量卡边控制、统计过程控制、正在兴起与研 发的模糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制 1 4 5 先进控制的实施 先进控制在实施时需要解决许多具体的工程问题，其中包括( 1 ) 合理的 选择被控区域，这不仅意味着控制系统的平稳性，更重要的是它直接决定着先进 控制所能获得的经济效益，正确整定基本p i d 控制回路和先进控制系统，整定基 本回路是为先进控制奠定基础，而整定先进控制则视为在动态响应与鲁棒性之 间作出权衡( 2 ) 合理限制控制变量的变化律，保证控制系统的平稳性和对不 确定因素的鲁棒性，建立良好的先进控制人机界面，确保在最常用的流程画面 上看到先进控制的信息，便于投用维护和操作 1 4 6 先进控制工程化方法 要使先进控制达到预期的经济效益必须严格的按一定程序完成先进控制的 工程化工作，而且与选用的工作平台无关，其工程化步骤主要如下 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 f 1 1 定义目标首先应将整个企业的目标划分为装置的目标、过程单元的目 标以及最终主要过程设备的目标，过程装置的目标可表述为以一定的产率生产出 满足预定规格的产品，其性能指标可以是生产成本产品质量或处理量，干扰可能是 进料的组分或生产负荷的变化，装置在经受所有的波动和扰动的情况下必须满足 预定的性能指标 f 2 ) 分解目标至最底层在一个装置内应对各主要设备建立控制目标从而将 过程装置的目标分解至最底层的各个设备，尽管对各个设备而言，存在各种扰 动但是其控制在不影响任何安全和设备约束下始终满足目标 ( 3 ) 辨别先进控制适应性，先进控制的适应性是指通过采用先进控制能 否达到减少主要过程变量变化的预期目标，如果先进控制不适用就需考虑工艺 过程本身的改进，根据先进控制所面临的问题，在研究使用性时可采取两种办 法，对于待建装置可以根据工程经验或者通过稳态动态仿真来识别是否有必要 应用先进控制策略，而现有装置可以利用已有的大量过程数据即相关工艺过程 设计数据得到实际过程的实际运行趋势和相关图标，进而分析过程的运行状况 和控制系统的工作情况，判断先进控制的实用性。 ( 4 ) 先进控制的效益分析，每个可能的先进控制算法的效益可与实施该 算法的成本进行比较，效益成本分析可以给出是否采用先进控制策略或应当采 用何种算法。 ( 5 ) 制定功能标准，对每个要实施的先进控制算法必须制定其功能标 准。它的主要内容包括控制目标、过程简单描述、控制算法涉及的硬件、仪 表控制回路、程序框图这种标准在详细工程设计时，可进一步扩展并最终成为 先进控制的技术文档。 ( 6 ) 先进控制的实现 在先进控制方案确定以后，首先进行详细的工程设计，这些工程设计包括 控制回路连接图，系统仪表配置一览表，先进控制操作界面最终生成可实现的 控制软件。 ( 7 ) 调试调试这一步是检验先进控制方案和生成控制软件是否正确。因 此首先进行在线实时仿真和跟踪，测试先进控制系统的输出方向和数值是否在 可行的范围内，只有符合设计要求后方可进行试运行，运行中，适当调整有关 的参数，使先进控制的结果与原简单p d 控制相比，达到预期设计的目标 先进控制与人的关系，人起主导作用，如果因操作人员对先进控制不理解 而使其不能正常工作，则先进控制的效益就不能得到，因此先进控制的原理必 须深入到每个操作者，使他们能认识并熟悉所实旌的先进控制原理和操作使用 以及维护方法，这些都需要通过培彭 l 来实现，由于先进控制比较复杂，为了培 训和维护的需要，对先进控制系统必须建立完整的文档资料 1 4 7 先进控制所面临的挑战 先进控制使用为企业带来了显著的经济效益。另方面，在实施先进控制 的过程中也会碰到许多富有挑战性的问题，反过来又促进先进控制向更高层次 发展，下面简要介绍一下先进控制所面临的主要问题 ( 1 ) 模型辨识的新工具。目前为了完成象反应器这样的主要工业生产过 程动态性能调试，需要耗费数周的时间。这给工程技术人员带来很大的工作 量，迫切需要更有效的过程响应测试和能更充分利用统计信息辨识出动态模型 的方法。 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 ( 2 ) 自适应模型预测控制。针对那些变增益控制的工业过程如油品调和 和p h 控制过程需要应用自适应思想来改进多变量模型预测控制器的性能，例 如模型参数预测的方法研究和开发。 ( 3 ) 多元统计监控。随着计算机集成控制的广泛应用，大量信号和控制 回路的集中管理和监督性能的评判己成为工艺操作者的主要责任，随着主元分 析和部分最小二乘技术的工程化应用开发并进入到在线应用阶段，含p c a 和 p l s 的多元统计监控的应用将会日益增多 1 4 8 解耦控制方案 精馏塔是一个典型的多输入多输出对象，它的通道很多，动态响应缓慢， 参数间相互关联，传统的p i d 控制在处理含有耦合变量的连续过程单元时控制 效果很不理想，因此，合理的设计解耦控制方案，消除变量间的关联，则很重 要，它为系统的良好控制奠定了基础。 1 4 9 模型预测控制 模型预测控制一经问世即在复杂工业过程中得到广泛应用，显示出强大的生 命力，其成功主要在于它突破了传统的控制思想的约束，不仅较好地符合工业过 程的实际要求，雨且体现了现代控制理论的优化思想模型预测控制利用生产 过程的响应来建立描述过程动态行为的数学模型并根据某种优化指标来确定控 制量时间系列，从而使未来一段时间内被控量与经柔化后的期望轨迹之间的误差 为最小，由于预测控制算法采用在线滚动优化并在优化过程中不断通过系统的实 际输出与模型预测输出之差来进行反馈校正，因此模型预测控制能在一定程度上 克服由于预测模型的误差和某些不确定干扰等影响从而增强系统的鲁棒性 1 5 本文的主要研究内容 一繇出 图1 2 精苯精馏三塔工艺流程图 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 精馏操作中，被控变量很多，是一个多输入过程，这里我们把l r 和v 作为所设计的对象的输入。把控制塔顶塔釜液体的百分含量作为我们的主要目 的。下面殂出了控制所需的控制指标。 表1 1 粗丙烯 序号组分名称组分( 叭)各注 1 乙烷 o 6 2 2乙烯o 0 2 3 丙烯 9 6 1 1 要求 9 5 4 丙烷 3 2 5 合计 1 0 0 平均分子量4 2 0 4 表1 2 精丙烯 序号组分名称 组成( )备注 l 乙炔 3 p p m 2乙烯 l p p m 3 乙烷 o 0 6 4 丙烯9 9 6 1要求9 9 6 0 5 丙烷 o 3 3 合计 1 0 0 0 0 第一章介绍了课题的研究背景，阐述了建模的基本方法，常见的控制方案的基 本思想，对某蜡化厂的精丙烯分离过程的工艺进行了较细致描述。 第二章介绍了建模的一般方法，并利用某厂的实际精馏过程建出模型，并给出 降阶模型。 第三章介绍了解耦控制方案线性预测控制方案的思路，并给出仿真结果与研 究结论。 第四章总结本文内容，指出研究中取得成果和一些问题，并对下一阶段研究的 前景进行了展望。 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 第二章精馏塔的模型化 2 1 模型建立的基本方法 所谓的模型就是用物理或数学的手段，对实际过程( 原型) 所发生的现象进 行描述的工具。主要特征与实际过程一致。 化工对象动态模型的建立有许多方法，但从获得模型的途径来分，可分为 机理模型、辨识模型和机理辨识模型等三种方法。 ( 一) 机理模型是直接根据物理、化学的基本原理建立起来的数学模型。 根据系统的内在机理，利用基本的物理、化学定律( 如质量守恒定率、能量守 恒定率、动量守恒定率等) ，以及系统的结构数据，来推导物理、化学关系式 的数学模型，建立原始微分方程，即化工动念学方法，所得到的模型称为机理 模型。 ( 二) 辨识模型就是对现有的化工过程进行专门实验，获取输入、输出数 据或根据过程正常生产的输入、输出数据来构成动态数学模型的方法。 ( 三) 机理一辨识模型是两种建模方法的结合。首先通过机理分析，确定 各参数之间的关系，列出原始方程，然后再根据测得的实验数据、过程的输 入、输出值来估计参数方程中的各系数，即参数估计，建立数学模型。 本次丙烯精馏过程的动态数学模型通过机理建模型方法求得 2 2 二元精馏过程模型化 2 2 1 丙烯精馏过程的模型推导 精馏塔动态数学模型主要是从精馏塔的内在机理出发，依据物料衡算、热量 衡算、汽液平衡关系建立的。 精馏塔的操作如图2 1 所示。全塔共有1 7 6 块塔板，加料板是第1 2 4 块 ( 自上而下计) 塔板。进料为饱和液体，流量为f ( m o l s ) ，易挥发组分的摩 尔分率为彳，。塔顶汽相经全部冷凝后进入回流罐。回流罐的蓄液量为m 。 ( t 0 0 1 ) ，易挥发组分的摩尔分率为j 。，回流罐的温度恰好为它的饱和温度， 回流液由泵送回至第一块塔板，回流量为三。( m o t s ) ，馏出液的流量为d ( t o o l s ) 。塔底和再沸器的蓄液量为m 。( t 0 0 1 ) ，易挥发组分的摩尔分率为 x 8 e 由于m 。为定值，总的物料和易挥发组分的物料衡算式分别是： v - l 月- d = d 或v = l 月+ d l ，一v - b = 0 或b = 三。一v 由物料衡算关系可列出微分方程： 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 占淼勰芷一器纛i 蒜蒸鑫 图2 1 连续精馏塔操作流程 1 回流罐 堕d t = 篆m 五一击d 1 md。 2 精馏段第r l 块板 堕d t2 鲁m b h l r + v k 。 m 。”盲v k + 学l r + 半矿 3 加料堡n s 一一一 一一 警= 鲁z 。一与u 等k 。+ 警。 + 坚m y + 等f + 恚m 彳，mq ir s 。 4 提馏段第j 块板 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 堡d t = 缸m 警即舡mj + l + 警m 警m 矿+ ；r 1 m l i ii j 5 再沸器和塔底 警= 扣等即警l r + 等矿+ 警f 将上列各式组合在一起，就可得到矩阵形式的状态方程 x = a x + b u 十p d x i i x j m ， ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 其中：x a = 矿 m d 三月 m 1 k = b = o o o x d x l ： x n s ： x 。 x b u 阴；a 一； v k i o m d 厶+ 喝 mm i 一_ 厶 m j 0 y 2 一y 1 m l y 2 一y l m 2 y w + l y w m 。 y b y 。 m 。 x b y 口 m b p = v k “ m 。 厶 m 。 o o0 m “ o o x f x 。 m 。 x 。t x 。 m 。 x 。一x b m 口 o o 0 上式中，三。和y 为控制变量，和，为扰动变量，x 为状态变量，输出变 量可以根据需要确定。本次论文中三。和v 为控制变量，并且认为该精馏塔无扰 动不需要p 相。不难看出，对于上下浓度差 x 。一x 。 较大的塔板。遇到。变 化时，初始的变化速度较快，即响应快；对于浓度差眵。一y 。) 较大，遇到矿 变化时，初始化的速度较快，即响应快。 2 2 2 机理模型的求解 - 1 2 堕死坠瓦警己雨 亟乙 o o“一m o o 一厶一 一一一瓦一吩一一矾一一一矶一一矶 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 精馏过程是既涉及传热又涉及传质的过程，相互影响的因素较多，为了简 化计算，通常假设塔内恒摩尔流动，即： ( 1 ) 摩尔气流。 精馏操作时，在精馏塔的提馏段内，每层塔板上升的气体摩尔流量都是相 等的，在精馏段内也是如此。但两段的上升蒸汽摩尔流量却不一定相等，即： 一= 吃一一= v k = 噬一一屹= v 式中：卜精馏段中上升蒸汽摩尔流量 矿提馏段中上升蒸汽摩尔流量 ( 2 ) 摩尔液流 精馏操作时，在精馏塔的精馏段内，每层板下降的液体摩尔流量都是相等 的在提馏段内也是如此。但两段的液体摩尔流量却不一定相等，即： l 1 = l 2 一一三。= l l l _ l i 一一l 净l 7 式中：三提馏段中下降液体的摩尔流量 三精馏段中下降液体的摩尔流量 恒摩尔流动必须满足以下条件： ( 1 ) 各组分的摩尔汽化潜热相等； ( 2 ) 塔设备保温良好，热损失可以忽略； ( 3 ) 汽液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略。 丙烷精馏过程基本上符合上述条件，可将此系统在精馏塔内的汽液视为恒 摩尔流动。由于所选的精馏塔板间温度差和浓度差均较小，因此没有采用逐板 计算法，而是每隔1 0 块板选一块作为研究对象，构成了2 0 阶的模型。下面介 绍一下具体建模过程： 1 摩尔百分含量的求解 己知： ( 1 ) 进料量：f = 7 o f h 各组分质量百分率分别为：丙烯9 6 、丙烷4 ( 3 ) 回流量：三。= 1 2 0 t ，h 各组分质量百分率分别为：丙烯9 9 6 1 、丙烷o 3 9 ( 3 ) 塔顶采出量：d = 6 4 t h 各组分质量百分率分别为：丙烯9 9 6 1 、丙烷o 3 9 ( 4 ) 塔底流出量：w = 0 6 t h 各组分质量百分率分别为：丙烯5 8 8 3 5 1 、丙烷4 1 1 6 4 9 所以可得： 7 。1 0 6 x 9 6 + ! ：! ! ：! 竖：4 6 3 4 7 3 5 m d ，s 4 2 3 6 0 04 4 3 6 0 0 l r = 1 2 0 x 1 0 3x 9 9 6 1 + 1 2 0 x 1 0 6 x 0 , 3 9 ：7 9 3 7 2 2 m o ，j 4 2 3 6 0 04 4 x3 6 0 0 d = 6 4 1 0 6 9 9 6 1 8 1 6 4 1 03 o 3 8 1 9 上 4 2 3 6 0 04 4 x3 6 0 0 4 2 3 2 3 9 6 7 m o ，s 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 0 6 1 0 6 5 8 8 3 5 1 0 6 1 0 6 4 1 1 6 4 一l - 一 4 2 3 6 0 0 4 4 3 6 0 0 = 3 9 0 6 5 3 7 6 珑d ，s 因在整个精馏过程中上升蒸汽量是相同的，则有： 矿= 三。+ 。= ( 1 2 0 + 6 4 ) r = 三兰鱼兰；兰学+ ! 兰鱼! ：学 = 8 3 5 8 9 8 4 m o l s 因进料为饱和料液进料，如图2 2 所示，则有： l s = f + l 月= 7 9 3 7 2 2 + 4 6 3 4 7 3 5 = 8 4 0 0 6 9 3 5 m o l s 回流比为：r = ；= 二竺= 1 8 7 5 jb 4 根据质量守恒可知： f x 9 6 = d x d + w x ： 则可得釜液中质量百分含量为 lv j 1r j 1 卜 r l t p - o 1 r 耻型塑瓷亲幽 = 0 5 8 8 3 5 1 所以釜液中摩尔百分含量为： o 6 x l x 5 & 8 3 5 移a 图2 - 2 饱和料液进料情况 局2 面丽了忑西五两4 1 2 而面k 五丽2 5 & 7 7 6 7 j _ 4 24 4 己知：塔顶温度为4 8 3 ，塔顶温度为6 2 ， 这里认为每两板之间的温度差是相同的，用差值算法算出每板温度， 再由温度求出每层板上的饱和蒸汽压，最后用两种物质在某一温度下的饱 和蒸汽压的比得到相对挥发度a 。 丙烯、丙烷在4 0 、5 0 、6 0 、7 0 。c 的饱和蒸汽压为 逗宴 4 0 5 0 6 0 7 0 组分 丙烯( a r m ) 1 6 - 3 92 0 4 1 2 5 1 23 0 5 8 丙烷( a t m ) 1 3 5 9 11 7 0 0 12 1 2 5 6 5 6 例如：在4 8 3 c 时 疏筹= 而2 0 - x , 解得：置= 1 9 4 5 6 6 1 4 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 丙烷 5 0 4 8 31 7 0 0 1 一工。 5 0 4 01 7 0 0 l 一1 3 3 9 1 解得：x 2 = 1 6 4 2 1 3 脯对挥发就一鬻“2 0 3 7 7 3 6 5 同理可求得各层塔板上组分的相对挥发度： 板数 11 22 33 44 45 4 温度 4 8 34 9 1 14 9 9 l5 0 7 25 1 5 25 2 3 3 ( ) q 1 2 0 3 7 7 3 61 2 0 0 8 2 1 21 2 0 0 3 5 9 41 2 0 0 1 3 9 21 9 9 7 3 3 2 31 9 9 3 3 6 9 5 板数 6 47 48 49 41 0 41 1 4 j 温度 5 7 6l ( ) 5 3 1 35 3 9 45 4 7 45 5 5 55 6 _ 3 5 1 9 8 9 5 9 3 61 9 8 5 9 0 3 l1 9 8 2 3 8 2 31 9 7 8 3 7 0 11 9 7 5 6 4 6 31 9 7 2 4 2 2 5 板数 1 2 41 3 41 4 41 5 41 6 4 1 7 6 温度 5 7 9 65 8 7 75 9 5 76 0 3 86 1 1 8 6 2 ( ) d 1 9 6 9 3 9 9 81 9 6 6 3 1 6 91 9 6 3 4 2 3 5 1 9 5 9 9 4 0 51 9 5 5 9 1 0 81 9 5 1 9 2 2 4 精馏塔精馏段操作线方程： 2 责以+ 南如 其中：j 。= 0 9 9 6 1 8 1 = 器以+ 志o 哪 匕+ l = 0 9 4 9 3 6 7 x 。+ 0 5 0 4 3 9 5 精馏塔提馏段操作线方程： ( 2 7 ) = 击瓦一南也 其中：x b = o 5 8 7 7 6 7 匕+ ，：j 型型生一x ，一竺堕生一。o ，5 8 7 7 6 7 1 “8 4 0 0 6 9 3 5 3 9 0 6 5 3 7 6 一”8 4 0 0 6 9 3 5 3 9 0 6 5 3 7 6 。 l + l = 1 0 0 4 6 5 6 8 x 。一o 0 0 2 7 8 1 3 7 7 ( 2 8 ) 每块塔板的效率不可能为百分之百，我们选精馏段每块塔板效率为o 1 2 5 ， 选提馏段的塔板效率为o 4 3 9 。 肚慧 则在精馏段：o 1 2 5 ：薹二竺：! 竺! ! ! 茎! 二! ：堕! 竺 _箬斋_0949367x。0050441 + 缸一1 弦。“ “ 一1 5 - 沈阳化t 学院硕士学位论文精馏塔的模型化与先进控制算法研究 ，8 e k 一1 ) 一1 3 5 3 0 8 2 a 一6 2 9 2 4 8 9 丸。五五丽瓦i 丁一+ 4 e 8 y 0 0 1 1 1 3 5 0 8 2 a 一6 2 9 2 4 8 9 2 2 6 5 8 2 2 7 6 ( a l x o 3 5 3 0 8 8 r ) 瓦丽聂瓦可一 一 ( 2 9 ) 在提馏段：o 4 3 9 ：；皇：旦塑! ! 兰正竺型堡翌墅翌一 7 竺l 一一1 0 0 4 6 5 6 8 x 。+ 0 0 0 2 7 8 9 3 7 7 1 + 缸一1 ) x ， ”4 v匕如一1 ) _ o 4 3 5 4 2 9 5 8 a o 5 6 7 1 9 1 6 7 4 氐2 1 五瓦函丽i 面一+ l ( 口一1 ) 一0 4 3 5 4 2 9 5 8 a 一0 5 6 7 1 9 2 + 2 2 6 2 4 8 5 ( a - 1 【x