（控制理论与控制工程专业论文）酒精精馏塔的解耦控制.pdf

酒精精馏塔的解耦控制 摘要 以含水酒精为燃料的新型能源得到国家的大力支持，并以此作为石油 能源的替代物已成为各国的研究热点。燃料酒精生产过程中的一个最重要 环节就是酒精的高纯度精馏，然而酒精精馏塔是典型的非线性、多变量、 强耦合及时变系统，长期以来，精馏塔系统的自动控制一直是一项技术难 题，以往的控制系统大多数采用相互独立的p i d 控制回路，无法消除回路 间的耦合，故难以得到理想的控制效果，而长期手动控制容易引起温度突 然升高后难以降到理想温度，造成系统长时无法达到稳定状态等。因此， 研究如何实现精馏塔系统的自动控制，使系统安全经济运行，具有重要的 理论意义和现实意义。 论文首先简单介绍了精馏技术的发展，然后着重分析了酒精精馏塔的 耦合性及选择解耦控制中控制变量的合理性。本文充分考虑了酒精精馏塔 间的耦合关系，针对塔顶温度和塔底温度的控制，设计了一种模糊解耦控 制系统：以塔顶温度和塔底温度的给定值为中心，划分正偏差区域和负偏 差区域，根据被控偏差属于不同区域来控制回流量和再沸器加热蒸汽量， 被控量的输出信号直接送回模糊控制回路中。针对设计的模糊解耦控制系 统进行仿真，得到了较好的控制效果。 论文的另一方面工作是利用实验室筛板式酒精精馏塔设备实现模糊解 耦算法在实验设备上的应用。以组态王为服务器、m a t l a b 为客户端，采 用d d e 通信的方式，将编译的m 文件转换成脱离m a t l a b 软件运行的可 执行程序，并将该程序用在组态王中调用，同时改变原有p l c 中对p i d 控 制模块的调用形式，在组态王中设计了模糊解耦控制与p i d 控制相互切换 的控制方式，在实验设备上实现了模糊解耦控制算法。 关键词：精馏塔模糊控制解耦d d ep l c t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fa l c o h o l r e c t i f y i n gt o w e r a b s t r a c t c h i n e s eg o v e r n m e n ts t r o n g l ys u p p o r t st h ed e v e l o p m e n to ft h ea q u e o u s a l c o h o la sn e wf u e l m a n yc o u n t r i e sr e s e a r c hi tb e c a u s ei tw i l lb et h es u b s t i t u t e f o rp e t r o l e u m t h eh i 曲一p u r i t ya l c o h o ld i s t i l l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so ff u e la l c o h 0 1 b u tt h ea l c o h o ld i s t i l l a t i o nt o w e rs y s t e mi sa m u l t i v a r i a b l e ，c o u p l e d ，n o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n gs y s t e m b yn o w , a u t o m a t i c c o n t r o lf o rt h ea l c o h o ld i s t i l l a t i o nt o w e rs y s t e mi ss t i l lad i f f i c u l tt e c h n i c a l p r o b l e m b e c a u s eo ft h es e r i o u sc o u p l i n ga m o n gv a r i a b l e s ，p e r f e c tc o n t r o lr e s u l t c a nb eh a r d l yg o tb ys i n g l el o o pp i dc o n t r o l l e r t r a d i t i o n a lm a n u a lc o n t r o lt e n d s t oc a u s ef a i l u r e s f o re x a m p l et h et e m p e r a t u r ei sd i f f i c u l tt ob el o w e r e dt ot h e s e tp o i n ta f t e rr i s i n ga b r u p t l y ，w h i c hw i l lc a u s et h es y s t e mr e a c hs t a b l es t a t ef o r al o n gt i m e s o ，s t u d y i n gh o wt or e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o lf o rt h ea l c o h o l r e c t i f y i n gt o w e rs y s t e mi no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fi t so p e r a t i o na n d e n h a n c ei t sa u t o m a t i cc o n t r o lr a t ei ss i g n i f i c a n ti na c a d e m i ca n dp r a c t i c a lf e i l d a tf i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r yo fd i a i l l m i o nt e c h n i q u e s b r i e f l y t h e ni tf o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ec o u p l i n go fa l c o h o ld i s t i l l a t i o n c o l u m n sa n ds e l e c tt h ec o n t r o lv a r i a b l e so fd e c o u p l i n gc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，i t g i v e sf u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h ec o u p l i n gb e t w e e nt h ea l c o h o ld i s t i l l a t i o nc o l u m n f o rt h et o pt e m p e r a t u r ea n dt h eb o t t o m ，id e s i g naf u z z y - d e c o u p l i n gc o n t r o l s y s t e m ：m a k i n gt h eg i v e nv a l u eo fb o t t o mt e m p e r a t u r ea n dt o pt e m p e r a t u r ea s t h ec e n t e r , a n dt h er e g i o n a li sd i v i d e di n t op o s i t i v ed e v i a t i o na n dn e g a t i v e d e v i a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e g i o n a lb i a s ，i tc o n t r o l st h er e f l u xa n dr e b o i l e r p o w e r a n dt h eo u t p u ts i g n a li ss e n tb a c kd i r e c t l yt ot h ef u z z yc o n t r o ll o o p t h e s i m u l a t i o no ft h ef u z z yd e c o u p l i n gc o n t r o l l e rg e t saw e l lc o n t r o le f f e c t o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sd i s s e r t a t i o n r sw o r ki st o i m p l e m e n tf u z z y d e c o u p l i n ga l g o r i t h m i nt h e a p p l i c a t i o n o fl a b o r a t o r y e q u i p m e n t t h e 、 c o m m u n i c a t i o nm e t h o di sd d e ic o n f i g u r a t e st h es e r v e rt ok i n g v i e wa n d m a t l a bf o rt h ec l i e n t t h ef u z z yd e c o u p l i n gc o m p l i e rc a l lf o rk i n g v i e w ，a n d c h a n g i n gt h eo r i g i n a lm o d e lo fp l c c a l l e df o rp i dc o n t r o l l e r l a s tii m p l e m e n t t h ec o n t r o lm e t h o dw h i c hc a l ls w i t c h e sb e t w e e nf u z z yd e c o u p l i n gc o n t r o l l e ra n d p i dc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：d i s t i l l a t i o nc o l u m n ；f u z z yc o n t r o l ；d e c o u p l i n g ；d d e ；p l c m 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 乃嘎 吕年7 月乡e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 一p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：压丽导师签名：f 动p 日知g 年7 月弓日 致谢 本文是在导师何小阳副教授的悉心指导下完成的。从一开始的论文选题到最后论文 的撰写，何老师无不耐心指导，并在科研条件上给予了极大方便，他的言传身教将使我 终生受益。 感谢父母的养育和在我遇到困难时精神上给予的鼓励。感谢与我同一课题组的韩宇 星，同级的梁海葵、于雷、刘涛及全体5 0 3 研究生工作室所有成员的关心和帮助。 特此致谢。 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 广西大掌硕士掌位论文 1 1 前言 第一章绪论 在石油化工生产中，使用的原料和反应后的产物多是由若干组分组成的混合物，常 常需要进行分离得到比较纯的组分作为中间产品或最终产品。 蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，在化工生产中得到广泛的应用。蒸馏分离 是利用液体混合物中各组分的挥发度不同将液体部分汽化，当汽、液两相趋于平衡时， 各组分在两相中的相对含量不同，汽相中易挥发组分的含量高于液相中该组分的含量； 而液相中的难挥发组分也会高于该组分在汽相中的含量。利用液体混合物中各组分挥发 度不同的性质，将液体混合物进行多次部分汽化和部分冷凝相结合的操作后，就会使汽 相中易挥发组分的含量越来越高，而液相中难挥发组分的含量也越来越高，从而达到分 离混合物的目的。 在实际生产中，常用的蒸馏方法有简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等多种。 其中，简单精馏通常适用于较易分离的液体混合物或对分离要求不高的场合；如果液体 混合物较难分离或分离要求较高时，则采用精馏方式；用普通精馏方法无法分离或是难 以分离的混合物可以采用特殊精馏。 1 2 酒精精馏塔的概述 1 2 1 酒精精馏塔控制的研究现状 精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由多级塔板组成，内在机理复杂，对控制 作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高，各塔工艺结构特点千差 万别，因而需要深入分析工艺特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案的设计和研 究瞳1 。精馏是应用最广泛的蒸馏操作，通常是在精馏塔中进行的。工业生产中的精馏塔 是由精馏塔身、冷凝器和再沸器等基本部件构成，结构如图卜1 所示。在大型石油化工 企业中精馏塔常常是首要的生产环节，有“龙头 装置之称，具有十分重要的地位。同 时，由于精馏塔是连续化大生产，不可能将提高效益的方案直接用于实际生产，必须先 在计算机上进行仿真实验，然后才放到生产实际中试用，通过现场反复调试后才能最终 被工业应用，从而为精馏塔生产的经济效益提高做出贡献口儿蚰。 精馏塔问题一直是国内过程控制研究的热点。国内外的专家、学者对建立精馏塔精 准的动态模型和实施更加有效的自动控制一直在不断研究。 7 0 年代以前，主要是常规仪表和计算机数字控制( d d c ) ，控制算法以各种p i d 、 串级、比值、分程和前馈控制等为主。 7 0 至8 0 年代，大型生产装置则采用集散型控制系统( d c s ) 。在硬件上将回路分散 化，数据显示、监督等功能集中化，硬件可靠性大大提高，效果甚好，但在控制算法上 无显著改进。 图卜1 酒精精馏塔的简单示惹图 f i g 1 1s i m p l ei l l u s t r a t i o no f t h ee t h a n o ld i s t i l l a t i o nc o l u m n 8 0 年代以后，开始出现在d c s 的基础上实现优化操作和高级过程控制。在硬件上 采用上位计算机和下位d c s 相结合。在控制算法上，将控制理论研究的新成果，如多 变量解耦控制、多变量约束控制、各种预测控制、人工神经元网络控制和估计，以及各 种基于模型的控制，应用于工业生产过程现场取得成功啼1 。 1 2 2 酒精精馏塔的耦合性分析及解耦控制的研究现状嘲忉 为了节约能源，人们不断提高精馏过程的效率，精馏塔作为一个分离过程的总体而 言，没有一个良好的控制系统也是没办法提高效率的。过去一直常用的控制方案是：以 回流量来控制顶部塔板温度；以再沸器加热蒸汽量来控制底部塔板温度。这种方案一般 2 称为常规控制方案。从经验看，这似乎很合理，当塔顶温度增高时，增大回流量使得顶 部塔板温度降低；而当底部塔板温度降低时，则加大再沸器加热蒸汽量以提高底部塔板 温度。 然而人们在经验中发现，当这种控制方式用于塔的两端产品成分控制时，效果并不 太理想，有显著的关联现象。当改变再沸器加热蒸汽量时，不但会影响塔底的温度，也 会影响塔顶的温度，从而引起塔顶温度控制器的动作，以改变回流量，而这样的变动又 会影响塔底的温度，如此反复，使系统不易稳定，以致在某些情况下，甚至无法实现控 制。但是只凭经验搞不清问题的关键所在。因此，过去有人甚至断然否定对精馏塔两端 产品成分同时进行控制的可能性嘲。 精馏塔控制困难分析有以下几种原因： 1 具有多层塔板的精馏塔对温度控制作用反应很慢，故可认为是具有延迟的控制对 象。 2 有很多因素影响分离，要控制的参数不止一个，所以精馏塔是个多变量控制系统 并且有若干个控制回路，而这些控制回路之间又彼此关联。 3 由于控制参数多、影响因素多、而且塔板数也多，导致对塔动态特性的理论分析 相当复杂。因而只好对各个具体塔进行具体测试。这样以来，就难以在控制特性上得出 一般的结论。 4 由于变量数目多，造成操作变量与被控变量之间的配对关系复杂，很难选择一个 合适的变量配对关系。 5 影响分离的各种因素有时很难用控制理论的各种术语表述出来，例如各种约束条 件的具体体现。 由此可见，精馏塔控制方面的问题主要集中在控制参数多，并且相互耦合性强。 多变量系统的解耦设计思想在控制理论发展初期就已经形成，在b o k s c n b o m 和 h o o d 的报告以及钱学森的著作中就已得到了基本研究。此后，k a v a n a g h 等人将这个理 论用于过程控制系统。在现代控制理论的框架内，这个问题由m o r g a n 在1 9 6 4 年正式提 出。随着被控系统越来越复杂，被控对象存在着更多难以控制的因素，如不确定性、多 外扰、非线性、滞后、非最小相位特性等，使得工程对耦合控制系统的设计要求越来越 高，设计难度也越来越大。解耦问题成为学术上与工程上一大难题，所以一直以来在理 论与工程两方面都将其作为一个热点问题研究。 解耦控制有以下几种常用的方式： 1 传统解耦控制方法 3 传统解耦方法以现代频域法为代表，包括时域方法，主要适用于确定性线性m i m o 系统。包括对角矩阵法、相对增益分析法、特性曲线分析法、状态变量法、逆奈氏阵列 法( 眦) 等。实线解耦控制的思想是通过解耦补偿器的设计，使解耦补偿器与被控对 象组成的广义系统的传递函数矩阵为对角阵，从而把一个由耦合影响的多变量系统化为 多个无耦合的单变量系统。但在解耦合的实际方法中补偿阵严重依赖于被控对象精确的 数学模型，而被控过程通常是时变和非线性的，因此一个线性的、定常的解耦补偿网络 在被控过程发生工作点变化时，由于不适应性，很难保证控制品质，甚至导致系统不稳 定。 2 自适应解耦控制系统 对于m i m o 不确定性问题，多变量自适应解耦控制的研究为这类问题的解决提出 了可行性方法。多变量自适应解耦控制方法是将被控对象的解耦、控制和辨识结合起来， 可以实现参数未知或时变系统的在线精确解耦控制。自适应解耦的方法将耦合项作为可 测干扰，采用自校正前馈控制的方法伸1 ，对耦合进行动、静态补偿。对最小相位系统， 采用最小方差控制律可以抑制交连阻1 ，对非最小相位系统，可以采用广义最小方差控制 律。只要最优预报和性能指标函数中含有耦合项，就可以达到消除耦合的目的。文献 1 0 将开环解耦补偿器与广义预测控制相结合提出了多变量自适应解耦控制算法，在线设计 解耦补偿器，实现了动态解耦，但算法复杂不便于在d c s 上实现。文献 1 1 对上述算 法进行改进，将前馈解耦控制同广义预测控制结合起来，实现了动态解耦又易于在d c s 上实现。 自适应解耦虽在一些领域获得了成功应用，但是要使这项技术得到广泛应用，还需 开展多变量自适应解耦控制技术与实际工业过程结合的应用研究。因为自适应解耦虽在 一定程度上解决了系统不稳定性问题，但是其本质要求在线辨识对象模型，所以算法复 杂，计算量大。 3 鲁棒控制 多变量鲁棒解耦理论是鲁棒控制理论的一个方向，其实质是通过设计鲁棒预补偿 器，使摄动系统为鲁棒对角优势，从而将多变量系统化为若干单变量系统来设计。a r k u n 首先给出了鲁棒对角优势的定义。文献 1 2 深入研究了鲁棒对角优势保证鲁棒稳定的结 论。文献 1 3 中运用d o y l e 的结构奇异值理论提出了不确定系统解耦控制器的设计方法， 该方法在保证闭环系统稳定和动态性能前提下，使解耦控制器的范数约束的不确定系统 做最大限度的解耦。但总的看来，迄今所做的鲁棒解耦只是针对特定系统讨论特殊的解 耦设计方法，以减少解耦控制器对系统参数的敏感性，但没有系统地解决一般不确定系 统的鲁棒解耦问题，即怎样恰当设计解耦控制器，使之在满足稳定性和鲁棒性前提下， 达到最大限度解耦。 4 内模控制是鲁棒控制的一种简化，因其良好的稳定性和控制品质，越来越受到控制 界的重视。，目前，将内模控制用于解耦设计的方法主要有两种：1 ) 先辨识对象模型， 在利用内模原理设计前馈控制器。前馈控制器可分为v - 规范型和p - 规范型；2 ) 先将对 象进行常规解耦设计使其成对角阵，然后对解耦后的系统进行内模控制。内模控制被认 为是一种对系统参数变化不敏感的鲁棒控制方法。但是这两种内模控制对模型的匹配要 求较高，当系统参数大范围变化时，内模控制的效果就会变差。 4 智能解耦控制 智能解耦控制在解决非线性方面的独特优势，使它在非线性系统解耦控制方面得到 了广泛的关注。它可以实现对线性和非线性系统在线精确解耦，解决了传统解耦方法不 易实现精确解耦的问题。智能解耦控制主要研究分两个方向一个是模糊解耦控制，一个 是神经元网络解耦控制。 模糊解耦控制主要有两大类方法：一类是直接解耦方法；一类是间接解耦方法。直 接解耦方法是国内外研究较多的一种解耦方法。 一 直接解耦法一种是对控制对象进行解耦，然后针对解耦而成的各单变量过程进行模 糊控制系统设计。另一种直接模糊解耦方法是对控制器的解耦文献 1 4 对多变量模糊 控制算法进行研究，利用多维模糊条件语句的分解定理，引进模糊子集的交叉系数，获 得了多变量模糊控制算法的简洁表达式，再借助于多变量系统解耦设计原理，用多个单 变量模糊控制器来表示一个解耦多变量模糊控制器。缺点是仍然要求已知一组多维模糊 控制规则，这给实际应用带来了很大困难。 间接解耦法是通过对多变量模糊控制规则进行模糊子空间的分解实现解耦。文献 1 5 引入随机相关因子，利用此类因子构造出多维概率模糊控制器。文献 1 6 提出采用 相关因子分解控制规则的多变量模糊控制器。g u p t a 等人在这些研究的基础上，提出通 过对多变量模糊控制规则进行子空间的分解，然后用一组二维模糊方程描述多维模糊控 制规则。这种方法降低了对计算机内存容量的要求，减少了计算量。但其最大缺陷是不 满足一致性条件，从而难以得到良好的控制效果。 神经元网络解耦控制方法由于可以在指定的紧集上以任意精度逼进任意解析非线 性函数，而且具有学习、自适应能力，使它能够处理系统的非线性特性，同时又有很强 的容错能力。因此神经网络成为了实现非线性系统控制的有力工具。但是单独的神经网 络控制很难满足系统的要求，它常同其他算法结合实现解耦控制。 自适应解耦和智能解耦都是以传统解耦理论为基础，更侧重于控制器的研究。这两 类方法更多采用试探、优化等方法来设计控制器，因而在理论研究上还不是十分完善， 在系统可解耦性的证明、解耦算法的稳定性、收敛性的证明方面还需要做很多的工作。 5 f 1 3 解耦控制在实际工业中的应用j ： 1 1 3 1 解耦控制方法在工业中的应用 解耦控制在工业中的应用前景十分广泛，己经应用到各个生产过程中。常规解耦方 法早在二十世纪六、七十年代就在化工控制中得到了广泛的应用。1 9 6 9 年，j o h o n s o l o n 采用了状态空间法解决了造纸机上液面与高位槽总压两个控制系统的耦合问题，1 9 7 1 年，h h ro s e n b r o e k 利用倒幅相特性分析法对于压缩机的出口压力和入口流量进行研 究，提出了可以实现解耦控制的静态数学模型，与此同时，w l l u y b e n 和t e s h u n t a 用 数字模拟的方式，消除了精馏塔塔顶组分和塔底组分两个控制系统之间的耦合n 刀。进入 八十年代，智能解耦控制开始在实际工业过程中得到应用。1 9 9 2 年，文献 1 8 根据输入 输出间相干分析的原理，在烟叶烘烤系统中进行模糊解耦控制，取得了良好的控制效果。 1 9 9 8 年，m a n 等人利用神经网络b p 算法更新模糊控制规则的各个参数，实现了核反应 堆的解耦控制n 9 1 。 进入九十年代，随着被控系统越来越复杂，工业界控制精度的要求越来越高，智能 解耦方法在我国实际工业过程，如火力发电机组的机炉协调控制、棒材轧制生产线的活 套控制以及火力发电厂钢球磨中储式制粉系统的温度负压控制中得到了应用。 大型单元机组协调控制系统是提高电厂经济效益，实现电网调度自动化的重要环 节。由于协调控制的被控系统一锅炉、汽轮发电机组是非线性、时变、大惯性、不确定 性的复杂过程，并且发电机组压力调节回路和功率调节回路之间存在着强烈的耦合关 系。两回路的耦合作用，导致控制质量下降，系统稳定性变差，这种情况在高负荷时尤 其严重。为了解决上述问题，文献 2 0 中采用一种便于工程实施的前馈解耦控制算法， 通过对被控系统特性的辨识，实现回路间的自适应解耦，同时完成协调控制系统控制器 参数、补偿器参数的自整定及增益调度的适应控制。1 9 9 7 年1 0 月投入正式运行，运行 效果良好。 立式活套位于棒材热连轧生产线中下游的每两个轧机之间，它的功能是将轧机间的 钢坯长度的增减转化为活套高度的升降。在棒材热连轧过程中，一根棒材往往在多架轧 机中同时被轧制。当某一活套发生变化时，如果仅采用该区上游的轧机进行调节，那么 该区上游所有轧机的速度都要进行相应的调整，也就是说所有活套呈链状耦合在一起。 该系统是一个三输入两输出的系统，相邻的两个活套控制间存在比较强的耦合作用。为 了解决上述问题，文献 2 1 采用带有非线性补偿的、基于p i 控制策略的多变量自适应 解耦算法。其中p i 控制保证系统的稳定性，非线性补偿环节用于消除非线性的影响， 自适应前馈解耦算法用来实现解耦控制。此方法可以实现近似解耦。该控制系统已经成 功地用于钢棒材连轧生产线上。 6 钢球磨中储式制粉系统是火力发电厂热力系统中的关键设备，其功能是将原煤磨成 煤粉并加热到一定温度后输出。该系统存在许多不确定性的干扰因素，如原煤可磨性系 数的变化、湿度的变化等都会造成制粉系统磨煤出力和干燥出力发生变化，导致系统工 况变化大，非线性强烈；同时系统输出量出口温度和入口负压之间存在着强烈的耦合作 用。针对上述问题，文献 2 2 中采用三级控制系统实现解耦合控制。在基础级中，负压 控制器采用两个结构为一个输入层、一个中间层和一个输出层的单输入单输出神经网络 解耦器实现两输入两输出非线性系统的解耦合控制。温度控制器采用基于运行人员经验 的模糊控制策略以解决非线性问题，协调设定出口温度，同时对各个回路进行协调控制。 管理决策级采用一个基于运行经验的专家系统，利用它对工况进行智能辨识以保证控制 系统在工况变化大的情况下仍能实现自适应控制。 1 3 2 模糊解耦控制方法在工业中的应用 模糊控制自诞生起，在难以精确建模的控制场合显示出它比常规控制稳定、控制效 果好等优点。经过各国学者2 0 多年的不懈努力，模糊控制已取得长足发展。利用模糊 控制理论及其应用技术，1 9 7 7 年英国的p a p p i s 和m a m d a n i 对单个交叉路口的交通信号 配时进行了控制，使车辆平均等待时间明显缩短】。1 9 7 4 - 1 9 7 9 年期间，英、德、日、 美、加等国的科学家先后做了对蒸汽机、锅炉、汽轮发电机组等的模糊控制的计算机仿 真，效果均优于常规控制。1 9 7 9 年p r o c y k 和e h m a m d a n i 提出模糊自组织控制器船训， 引起了各国学者对自组织模糊控制器进行广泛和深入的研究。 在我国，对模糊控制的研究始于7 0 年代末，起步虽晚但硕果累累乜射。1 9 8 0 年汪培 庄、楼世博给出模糊控制器的定义，并提出可响应问题，其论文于次年在i f a c 国际会 议上宣读，引起了很大凡响。龙生照、何开源等提出了模糊控制模型建立的依据。1 9 7 9 年，陈国权讨论了模糊控制器的算法简化问题。与此同时，宋大鹤研究了模糊控制器的 电路实现问题。1 9 7 9 年李宝缓和刘志俊发表了用模糊集理论辨识系统模型的论文。1 9 8 1 年郑维敏、张洪良等用模糊集论对模型参考自适应系统( m r a s ) 的设计进行了研究。 1 9 8 2 年，龙升照、汪培庄撰写文献讨论了模糊控制规则的自调整问题。1 9 8 3 年邓聚龙 发表了有关模糊控制稳定性问题的论文，给出了模糊自动控制稳定的条件。 至8 0 年代中期，模糊控制理论已趋渐成熟。同时，模糊控制的研究和应用十分活 跃，c c l e e 对其成果，尤其对早期应用成果进行了介绍和回顾嘲1 。模糊控制要有较好 的效果，必须具有较完善的控制规则。对于某些复杂的工业过程，有时难以总结出较完 整的经验，并且当对象的动态特性发生变化或者受到随机干扰的影响时，都会影响模糊 控制的效果。为了促进模糊控制的深入研究，众多学者进行了卓有成效的工作，对常规 模糊控制进行了一些改进，并且发展成为自适应和自学习模糊控制，专家模糊控制，神 7 酒精精馏塔的解耦控制 经网络模糊控制等等。 常规模糊控制的改进，有些学者在研究常规模糊控制算法时，将积分环节引入模糊 控制器汹1 ，构成f u z z y p i 控制。这是改善模糊控制器稳态性能的一种途径，这种控制 比p i d 控制有更快的动态响应特性，更小的超调，比模糊控制具有更高的稳态精度。有 的就把预测控制和模糊控制相结合嘲，如将常规s m i t h 预估控制中的p i d 控制器换成模 糊控制器，而构成了s m i t h f u z z y 控制器，能同时完成对时变系统控制和对纯滞后进行 补偿的两个功能，既对纯滞后特性有较好的补偿作用，又对被控对象参数变化有较强的 适应能力。 自适应和自学习模糊控制啪瑚1 ，常规模糊控制的不足之一是控制规则无法在线调 整，一旦被控对象的特性变化或系统受到不确定因素干扰时，系统的控制品质变差，甚 至使系统无法稳定运行，为此，有些学者提出了自适应和自学习模糊控制。通过分析了 比例因子与系统响应特性之间的关系，讨论了各比例因子在控制过程中的作用，设计了 自调整比例因子模糊控制器。这种模糊控制器对于外扰具有学习的功能，克服了学习中 外扰的影响。自t o n g 、t a k a g i 等提出了用模糊集理论辨识系统模糊模型的方法以来，这 一方向吸引了许多研究人员开展进一步的研究m 儿捌。有的学者提出了在线模糊推理出自 整定p i d 参数的方法，这种模糊推理的p i d 自整定控制算法对具有不确定性的非线性对 象很有效泓1 。 专家模糊控制，将专家系统技术引入模糊控制中，构成专家模糊控制器，与单纯的 模糊控制器相比，它能容纳过程控制所需要的复杂知识并用更复杂的方式使用它们。有 许多研究人员对专家模糊系统进行了研究和设计陆蜘。 基于神经网络的模糊控制，将神经网络与模糊控制相结合是较热门的方向之一，并 取得显著的成果，二者都是无模型的预估器，学习和推理功能非常类似于人脑。 c h i n - t e n gl i n 等提出模糊逻辑控制和决策港断系统综合神经网络模型，该模型能发展为 模糊逻辑规律和寻找最优输入输出隶属函数，由自组织和监督学习方案相结合，学习 速度收敛性比普通b p 学习算法更快1 。 模糊控制( f u z z yc o n t r o l ，简称f c ) 算法其本质是一种非线性控制，并具有比常规 控制系统更好的稳定性和更强的鲁棒性。f c 采用模糊变量，具有良好的抗噪性能，而 且容易与人工操作经验相结合，它不需要知道被控对象的数学模型，可以有效地应付非 线性对象。近年来，将模糊控制应用于酒精精馏塔系统自动控制的研究很多，并取得了 一些研究成果。 李宁等在文献 4 2 中对温度控制系统分别比较了几种常用的模糊控制策略，针对对 象的特性，设计基于温差的模糊解耦策略，在对各温区均采用单输入单输出模糊控制策 略的基础上，在b a n g b a n g 控制和模糊控制的阶段，根据变量之间的温度差异对单输入 8 j r - 西大掣顾士尊啦论文酒精精馏塔的解耦控制 单输出模糊控制输出值进行修正，即可一定程度上消除或减弱耦合。虽然这种方法不是 从系统解析的角度对系统进行完全解耦，但能较好的减弱变量之间的耦合程度，加上模 糊控制本身的解耦能力，取得了较好的控制效果。其控制规则易于得到，工程实现上有 一定的使用价值。文献 4 3 中设计了一种双变量模糊解耦控制器，在仿真试验中使系统 的稳定性、调节质量明显提高j 并具有一定的抗干扰能力。 目前精馏塔的模糊控制大多是单变量，针对精馏塔的非线性，多变量的特性，化工 领域已经改进了一定的工艺流程和工艺参数，自动控制领域也已经尝试了多种控制方案 试图简化过程的复杂性、产生更大的经济利益。但由于精馏塔本身的复杂性，而且针对 不同的精馏塔存在不同的特性，因此对精馏塔的控制仍然在不断的深入研究。在这里利 用酒精精馏塔设备以及存在的一些问题，提出一种双变量模糊解耦控制器的控制方案改 善酒精精馏塔的经济效益 1 4 现存方法存在的问题 酒精精馏塔试验设备的控制系统没有充分考虑控制变量之间的耦合，采用相互独立 的5 套p i d 回路分别进行控制，即再沸器功率、回流计量泵、进料泵、进料加热泵和成 品磁力泵来控制精馏塔温度、进料量、进料温度、成品罐液位。由于这5 个控制回路间 信号相互耦合，所以系统调节频繁，运行不稳定，甚至，还可能引起事故的频繁发生， 特别是用再沸器来控制塔温，温度控制较为滞后，当塔温升高后又很难控制在设定温度， 从而就需要调节回流量来降低塔温；当进料量不够引起反应釜内液位不够时，再沸器报 警，无法正常工作。总之，单回路控制很难保证5 个控制回路同时投入运行且又安全经 济，因此并不能完全满足生产的要求。 目前，解耦控制大多数是数学解耦方法，所以解耦控制一般依赖于被控对象的精确 数学模型，但由于酒精精馏系统本身的复杂性，难以获得精确的数学模型，所以解耦控 制在工程上难以实现。此外，有些解耦控制只能实现静态解耦，无法实现动态解耦，故 无法真正地消除变量间的耦合。 模糊控制和基于规则的智能控制，均会遇到规则的爆炸问题，因为规则数太少，不 能达到应有的效果，而规则数太多，对于一个五输入五输出的强耦合系统来说，计算量 将是o ( n 5 ) 级的，即导致规则的爆炸。正因如此，大多数的模糊控制方案是基于单输入 单输出系统的。因此，酒精精馏塔系统自动控制的主要发展趋势应是，充分考虑系统的 非线强耦合特性以及大迟延大惯性，以非线性智能控制理论为基础，并着力解决系统的 耦合问题。同时，保证系统安全运行，构造具有实用价值的运行支持系统。 9 1 5 论文的主要研究内容 本文以在化工行业十分普遍的精馏过程为背景，利用实验室的基于$ 7 - 3 0 0 筛板式 酒精精馏塔设备采集输入( 回流量、再沸器) 和输出( 塔顶温度、塔底) 等的数据，进 行耦合性分析。设计解耦模糊控制器，仿真控制效果，并在实验设备上实现模糊解耦控 制算法。 全文内容安排如下： 第一章，主要介绍了酒精精馏塔和解耦控制的发展历程和研究现状，以及对精馏塔 的耦合性分析，同时介绍了现用方法存在的问题和解耦控制方法在实际工业中的应用。 第二章，主要介绍了酒精精馏塔存在的耦合变量，并分析出合理的耦合变量配对。 第三章，主要介绍了模糊控制的系统组成、工作原理、算法流程以及模糊解耦控制 器的设计，结合第二章对基于酒精精馏塔的模糊解耦控制器进行仿真并与未加解耦环节 模糊控制器的仿真进行比较。 第四章，主要介绍了$ 7 - 3 0 0 的筛板式酒精精馏塔实验设备的相关资料，综合第二 章与第三章的研究，采用d d e 通信实现模糊解耦控制算法在实验设备上的应用。 第五章，总结本文内容，指出研究中的成果和一些问题，并对下一阶段研究的前景 进行了展望。 1 0 广西大掣蝇肚学位论文 第二章酒精精馏塔耦合系统描述 2 1 被控系统描述 2 1 1 酒精精馏塔介绍 实验室基于$ 7 - 3 0 0p l c 的筛板式酒精精馏塔属于高纯度二元精馏装置，其控制要 求为：满足一定的产品纯度指标和保持生产的稳定性。由于产品浓度不能做到在线检测， 一般采用灵敏板温度来间接反映产品浓度。 表2 - 1 水溶液沸腾时蒸汽与溶液中的乙醇含量 t a b 2 - 1s t e a ma n de t h a n o lv a p o u ri nt h eb o i l i n ge t h a n o l - w a t e r 沸腾液中乙醇的沸点( )蒸汽总乙醇含 蒸汽中乙醇含量与液体中 含量( ，容量)量( ，容量)乙醇含量之比( 挥发度k ) 01 0 0 0o 59 5 9 03 5 7 57 1 5 1 09 2 6 05 1 0 05 1 0 1 59 0 2 06 l5 04 1 0 2 08 8 3 06 5 2 0 3 3 0 2 5 8 6 9 0 6 7 9 52 7 0 3 08 5 5 66 9 2 62 4 0 3 58 4 8 07 0 6 02 0 2 4 08 4 0 87 1 9 51 8 0 4 58 3 4 07 3 4 51 8 3 5 08 2 8 27 4 9 51 5 0 5 58 2 3 07 6 5 41 3 9 6 08 1 7 0 7 8 1 71 3 0 6 58 1 2 07 9 9 21 2 3 7 08 0 8 08 l8 51 1 7 7 58 0 4 08 4 1 01 1 2 8 07 9 9 28 6 4 91 0 3 8 57 9 6 08 9 0 51 0 5 9 07 9 1 2 9 1 8 01 0 2 9 57 8 7 59 5 0 51 0 0 3 7 9 7 67 8 1 59 7 6 01 0 0 在常压下，纯酒精沸点为7 8 3 c ，非真空条件下酒精精馏产品的最高浓度在9 5 5 广西大学硕士学位论文 - 9 7 6 0 之间，如表2 - 1 所示常压下加热酒精一水溶液至沸腾时，测得的酒精浓度以及 挥发系数的值。 2 1 2 被控系统描述 实验室筛板式酒精精馏塔的控制方案为灵敏板温度p i d 控制：通过静态模型逐板仿 真计算，依据不同操作工况，对各塔板温度分布曲线比较得出，该塔的灵敏板为8 # 塔板， 然后通过调节回流量大小来控制灵敏板的温度。在生产状态下再沸器功率保持恒定为 7 0 ，灵敏板温度设定为8 0 ；合格产品浓度为2 0 时，9 0 - 9 5 之间，同时通过实验 可以得到该塔的单位时间产量为2 6 l h ，从而按照酒精精馏塔最佳回流比一般为3 q ， 即回流量为单位时间产品量的3 - 4 倍，因此该塔平稳生产状态下的适宜回流量为 7 8 l h - 1 0 4 l h 。 所谓灵敏板就是当塔的操作受干扰或控制作用后，塔内各板的浓度都将发生变化， 温度也将同时变化，但变化程度各板是各不相同的。当达到新的稳态后，温度变化最大 的那块塔板称为灵敏板。但是，仅仅用灵敏板反映整个塔的状态是不准确的。 附录l 是连续开机运行七小时的各个参数变量的部分数据( 包括全回流阶段、生产 阶段) 图2 1 再沸器功率、回流量对灵敏板温度的影响 f i g 2 1r e b o i l e rp o w e r 龃dr e f l u ) 【o nt l l ei i l l p a c to f t e m p e 眦哦s e n s i f i v ep l 如 1 2 图2 - 2 回流量对塔顶温度的影响 f i g 2 - 2r e f l u xo nt h ei m p a c to ft o w e rt o pt e m p e r a t u r e 图2 - 3 再沸器功率对塔底温度的影响 f i g 2 - 3r e b o i l e rp o w e ro nt h ei m p a c to f t o w e rb o t t o mt e m p e r a t u r e 由附录1 中数据绘制灵敏板温度与回流量液位、再沸器功率图如图2 - 1 所示。由图 可见，即使在生产状态下，灵敏板温度仍然存在一定的波动。 由附录1 中数据绘制回流量液位与塔顶温度的曲线如图2 - 2 所示，从图中可看出回 流量对塔顶温度的影响相对比较直接，且有明显的滞后性。 广西大学司n b 掌位论文 酒精精馏塔的解耦控制 由附录1 中数据绘制再沸器功率和塔底温度曲线如图2 3 示。由图可见，再沸器功 率在全回流阶段对塔底温度影响比较直接。 从实验中得到，在p i d 控制作用下，从正式开始生产到稳定生产状态下灵敏板温度 首先会出现较大超调量，然后逐渐达到新的稳态，调节时间大概为9 0 0 s - 1 2 0 0 s ；同时可 以看出在利用p i d 控制作用下控制量( 回流量) 存在系统滞后，而且回流量变化幅度较 大。回流量变化太大，会导致生产的平稳操作，太大的回流量，会减少产品产量。因此， 在原有的系统条件上，有必要考虑采用一种更好的控制策略来减少调节时间，保证温度 的平稳，同时提高该精馏塔的产品产量。 2 2 精馏塔具有的耦合变量配对及分析 下面讨论精馏塔耦合变量配对的问题，由于实际中存在精馏塔控制系统多种多样， 都有不