流程工业综合自动化仿真平台的建设-毕业论文.doc

毕业设计(论文) 题 目:流程工业综合自动化仿真平台的建设 学 院: 专 业: * 班 级: * 姓 名: * 指导老师: * 起讫日期: 2009-03-012009-06-10 2010 年 06 月流程工业综合自动化仿真平台的建设摘 要随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化、系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化，以及员工培训等活动不可或缺的一门技术。而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。本文首先设计了流程模拟系统，开发了三个流程模拟实验：基于Aspen的精馏分离静态模拟、动态模拟，Simulink建立的CSTR（连续搅拌反应）实时仿真和乙醇发酵仿真。然后将流程模拟系统的仿真数据存储在后台数据库Oracle，最后利用ASP.NET技术开发了基于浏览器/服务器模式的数据展示系统，通过ADO.NET接口技术调用数据库在Web页面上生成流程模拟各装置的相关参数和整个系统的仿真数据，建立起流程工业综合自动化仿真平台。关键词 : 流程模拟 流程工业The Building of Process Industry Automation Simulation PlatformAbstractWith the increasing enlargement, complication and automation of t modern process industry, system modeling and simulation has become an important research area of process systems engineering and an essential technology for equipment parameter settings, control system design, production and forecasting analysis, decision support optimization as well as staff training and other activities .The continuous development of computer technology promote the wider use of simulation technology.The process simulation system consists of three process simulation experiments: the static and dynamic simulation of Distillation based on the Aspen software, the Real-Time Simulation of CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) and the ethanol fermentation simulation established on Simulink .The process simulation system simulation data are stored in the back-end database Oracle. The data exhibition system is developed based on browser / server model with ASP.NET technology and it calls the Oracle database storage to generate various device parameters of the process simulation and the whole system simulation data on the Web page. The integrated process industry automation simulation platform is established after these steps.Key Words: Process Simulation; Distillation; CSTR; Ethanol Fermentation目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 流程工业综合自动化11.1.1 流程工业的重要地位11.1.2 流程工业综合自动化技术发展现状11.2 流程模拟仿真平台31.2.1 流程模拟技术31.2.2 稳态仿真31.2.3 动态仿真41.3 本文主要内容与目标41.4 系统设计方案5第二章 精馏分离模拟62.1 Apsen Plus进行精馏分离静态模拟62.1.1 RadFrac（严格法精馏）单元操作模块62.1.2 精馏分离模型定义62.1.3 Aspen Plus建立精馏分离模型72.1.4 仿真结果分析82.2 精馏分离模型添加动态数据112.3 Apsen Dynamics进行精馏分离动态仿真122.3.1 PID控制122.3.2 设置PID控制器132.3.3 Aspen Dynamics进行动态仿真14第三章 CSTR模拟163.1 CSTR模型163.1.1 CSTR 简介163.1.2 CSTR仿真模型173.1.3 CSTR仿真模型参数173.2 CSTR模型的建立与仿真193.2.1 Simulink简介193.2.2 使用Simulink建立仿真模型203.2.3 Simulink仿真CSTR结果223.3 模拟结果存入数据库243.3.1 Matlab里的S_function243.3.2使用S_function将仿真结果存入Oracle数据库24第四章 乙醇发酵模拟274.1 乙醇发酵274.1.1 工业乙醇发酵方法274.1.2 工业发酵流程274.1.3 乙醇发酵工艺284.2 乙醇发酵模型284.3 乙醇发酵模块模型的建立与仿真324.3.1单罐仿真324.3.2系统仿真324.4 模拟结果存入数据库34第五章 数据存储系统355.1 数据库技术355.1.1 数据库的基本概念355.1.2 Oracle数据库355.2 Oracle的创建与配置365.2.1 创建数据库365.2.2 配置数据库连接375.3存储流程模拟数据385.3.1 精馏分离平台数据385.3.2 CSTR仿真平台数据395.3.2 乙醇发酵平台数据40第六章 数据展示系统416.1 数据展示系统原理416.1.1 浏览器/服务器架构416.1.2 ASP.NET及其开发环境Visual Studio416.1.3 C#语言426.1.4 IIS的配置426.2 ASP.NET连接Oracle数据库436.2.1 ADO.NET接口技术436.2.2 连接Oracle数据446.3 数据表格和曲线图的制作456.3.1 使用GridView控件制作表格456.3.2 使用MsChart控件制作曲线图476.4 数据展示页面的制作496.4.1 登录页面Login.htm496.4.2 登录验证页Change.aspx506.4.3 主页面Main.aspx506.4.4 数据展示页面52第七章 总结和展望557.1 总结557.2 展望55参考文献56致谢57第一章 绪论1.1 流程工业综合自动化1.1.1 流程工业的重要地位流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业。这些行业普遍存在能耗大、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等现状。流程工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，产品多以大批量的形式生产。流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等，这些都与离散制造工业有显著不同。在知识经济时代的21世纪，作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。据2003年估计全球流程工业的年产值超过5万亿美元，其中仅化工和石油化工部分就超过1万2千亿美元。根据2005年中国统计年鉴，2004年按行业分国有及国有控股企业中，工业总产值35571.18亿元，工业增加值12132.41亿元。其中典型的流程工业工业总产值共计23396.53亿元，占总产值的65.77%，工业增加值8 810.18亿元，占总量的72.62%。从我国2005年工业统计数据来看，工业总产值、工业增加值等主要经济指标，石油和化学工业均居全国第1位，其实现利润占全国工业利润的25.45%；冶金工业居全国第2位；电力工业居第3位。我国22家骨干企业中，流程工业企业约占1/3；在71家重点企业中，流程工业企业约占1/2。在2000年全球500强的行业中，中国石油化工集团公司居58位、中国国家电力公司居83位、中国化工进出口总公司居307位。由此可见，流程工业在我国国民经济中的重要地位。1.1.2 流程工业综合自动化技术发展现状20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，信号处理技术、计算机技术、通讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式。20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在实施CIMS计划，推动了流程工业综合自动化技术在实际生产中的应用，如日本三井石油化学工业公司、美国德曹达公司、高尔公司等化工企业都相继建立了综合自动化系统。意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，信息采集从低层到上层，从供应链的源头到产品的客户。他以面向数据的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断，环境监测，单元整合，模拟和优化。在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。目前国外实施综合自动化技术的大型流程工业企业已占很大比例。另一方面，国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决方案供应商转化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出eManufacturingTM解决方案；ABB公司提出基于MES（生产过程制造执行系统）的综合自动化解决方案，开发相应的工业IT；AspenTech和Honeywell这两家大公司都已不再局限于过程自动化软件与软件领域，而是在其中下层自动化软硬件优势的基础上分别提出了面向企业整体的解决方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件，以及提出了智能化工厂的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油与天然气、制浆造纸、化工、炼油工业的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。我国经过20年的研究和攻关，在流程工业综合自动化领域已积累了大量的科研成果，特别是在“九五”计划期间，产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，如集散控制系统（DCS)、现场总线技术、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件等。已缩短了与国际先进水平的差距，部分成果达到国际先进水平，并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材/轻工等流程企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。在以信息化带动工业化的进程中发挥了重要的作用。 但总体而言，我国在流程工业综合自动化技术与系统的研究与产业化过程中同国外先进技术相比还存在很大的差距，主要体现在技术深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、系统化程度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等诸多方面。1.2 流程模拟仿真平台随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化，系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化，以及员工培训等活动不可或缺的一门技术。而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。现在,企业迫切需要通过仿真技术来提高自身的竞争能力，能否有效应用仿真，将成为决定企业成败的关键因素之一 。流程模拟仿真平台实现了在实验室条件下模拟真实工厂物料流程和数据集成过程。用户可方便地进行组态、建立装置物料平衡机理模型等。仿真数据可与各种数据库连接，用户可方便查询调用生产数据、查看生产报表、切换生产方案，进而为数据校正、生产调度、生产质量管理和成本控制等应用软件的开发和实施提供理想的平台。1.2.1 流程模拟技术流程模拟技术是近几十年来发展起来的,它涉及到流程系统、控制仪表、数据协调算法等多项技术，是一门交叉性、综合性学科，有着广泛的应用。 一些过程控制算法就可以利用流程模拟技术获得较为完备的数据,应用这一技术，可以模拟不同工艺条件下的生产结果. 调度人员可利用这些产生的数据进行分析，在流程工艺的基础上确定最佳方案，也可以将这些数据作为理论研究的基础数据使用，而无需破坏生产的连续性，节省了大量的人力、物力。流程模拟分为稳态模拟/仿真和动态模拟/仿真两大类。 1.2.2 稳态仿真 化工过程稳态仿真又称静态模拟或离线模拟，它是根据化工过程的静态数据，诸如物料的压力、温度、流、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位等，采用适当的棋拟软件，用计算机模拟实际的稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产和质最等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现” 实际的生产过程。 稳态仿真描述的过程对象不包括时间参数，过程中的各因素不随时间而改变，所以稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，它通过一系列物热衡算，为动态仿真提供初值和起始状态，同时还是过程综合和优化的基础。利用过程系统的稳态仿真主要解决以下三类问题：(1) 过程系统的模拟分析。对给定过程系统进行模拟求解,得到需要的系统状态变量，使得对该过程进行分析和验证成为可能 。这类稳态仿真应用化工过程的动态仿真具有一定的指导作用。(2) 过程系统的设计。对某个或某些系统变量提出设计规定要求，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求。这类仿真主要用于新装置的设计、旧装置的改造和新工艺新流程的开发研究。(3) 过程系统的参数优化。过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量(优化变量)，以便实施最佳工况。与过程系统的设计和改造不同，这里的优化不通过修改工艺或增加生产设备进行，而是通过调整工艺操作条件来实现。通常将稳态模拟软件和优化软件结合，对过程操作变量进行优化。1.2.3 动态仿真动态仿真比稳态仿真更能反映真实的生产情况,其主要功能是把该装置的内部生产流程及机理模拟出来，同时反映装置的控制和操作条件，尽量模拟与工业现场相近的生产条件及操作条件。稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，然而化工稳态过程只是相对且暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰和条件的变化,因此化工过程的动态变化是必然的，如开停车、故障处理等。在研究这类动态问题时,必须使用动态仿真。动态仿真中的动态模型由一系列微分方程组成，能真实地对实际的生产流程进行模拟，为生产制造企业进行工艺流程设计、控制系统设计、故障处理策略设计等提供了有效的工具。利用动态仿真可以解决很多生产实际问题：(1) 过程系统的工艺设计。完成生产方案选择、生产参数确定等工艺设计问题，使过程系统运行在最佳状态 。(2) 过程系统的控制器设计。动态仿真软件接收控制器生成的控制量，得到被控对象动态模型实时的动态输出，根据该动态模型的输入输出关系,设计合理的控制器 。(3) 过程系统的安全分析和预测。对现有生产流程进行动态建模，运行动态仿真，分析和预测过程系统的安全状况 。1.3 本文主要内容与目标本文为了设计流程工业综合自动化仿真平台，开发了三个分系统：流程模拟系统、数据存储系统、数据展示系统。流程模拟系统建立了三个流程模拟实验：基于Aspen Plus的精馏分离静态模拟、基于Aspen Dynamics的精馏分离动态模拟；Simulink建立的CSTR（连续搅拌反应）实时仿真；Simulink建立的乙醇发酵仿真。基于关系数据库Oracle的数据存储系统通过建立多张数据表存储流程模拟系统的实验装置数据、仿真参数和仿真结果。最后利用ASP.NET技术开发了基于浏览器/服务器模式的数据展示系统，它通过ADO.NET接口技术调用后台数据库Oracle的相关数据在Web页面上生成流程模拟各装置的相关参数和整个系统的仿真数据。本文的主要目标是顺利完成流程模拟系统的三个实验平台的开发，得到仿真结果通过相应的接口技术将数据存储到后台数据库，由数据展示系统展示所有流程模拟仿真平台的数据信息。本文的研究对于流程工业综合自动化技术有一定的指导意义，流程模拟系统可以模拟现场生产，并得到实时生产数据，数据库中集成的实时生产数据可供流程工业企业深层次的挖掘和分析，为其生产运行、成本核算、物料跟踪、和生产调度等业务过程的改进提供基础。数据展示系统的开发使得客户可以在远程使用浏览器访问服务器端了解现场生产相关信息，为其远程操作、现场设备管理、数据采集等活动提供基础。1.4 系统设计方案流程工业综合自动化仿真平台由三个分系统和三种数据接口构成，图1-1所示为系统框图。三个系统自底层向上分别为流程模拟系统、数据存储系统和数据展示系统。流程模拟系统中Aspen软件通过Microsoft自动控制接口连接Oracle数据库，Simulink通过Matlab提供的系统函数（S_function）将仿真数据存入Oracle数据库。数据展示系统中ASP.NET使用其数据库接口ADO.NET技术从后台数据库Oracle中调用底层模拟系统的相关数据，通过Web页面展示数据。图1-1 流程工业综合自动化仿真平台系统框图第二章 精馏分离模拟2.1 Apsen Plus进行精馏分离静态模拟2.1.1 RadFrac（严格法精馏）单元操作模块RadFrac（严格法精馏） 是一个严格模型用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作这些操作包括：一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。RadFrac 适用于两相蒸馏体系、三相蒸馏体系、窄沸程和宽沸程体系、液相具有非理想性强的体系。在塔的任何地方RadFrac 可以检测和处理游离水相或其它第二液相RadFrac 可在每级上处理固体。一个典型的精馏模型如图2-1所示。图2-1 典型的精馏模型图左边的输入流股FEED为进料物料流，要求至少一股。右上角输出流股DISTILL为塔顶冷凝器产物，也是最终的精馏产物。右下角输出流股BOTTOMS是塔底再沸器产物。2.1.2 精馏分离模型定义1模型：如图2-2所示图2-2 甲基环乙烷（MCH）精馏分离模型图2工艺说明：（1）甲基环乙烷（Methylcyclohexane，简写为MCH，沸点213.681 F）和甲苯（toluene，沸点231.134 F）沸点非常接近，通过简单的二元精馏难以将它们分离（2）使用苯酚（phenol，沸点359.312 F）作为萃取剂来萃取甲苯，从而在塔顶获得纯度较高的甲基环乙烷3任务：（1）利用已有的塔从MCH和toluene的混合物料中回收MCH（2）通过增大萃取剂的流量来提高塔顶MCH产品的纯度（3）在给定的萃取剂流量下，计算产品纯度、塔的流量和组成分布以及塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷2.1.3 Aspen Plus建立精馏分离模型根据2.1.2中甲基环乙烷回收塔模型的模型定义建立该模型的仿真，具体步骤如下：1定义流程图。选择单元操作模型库中的RadFrac模型，连接萃取剂物流、进料物流、塔顶产品物流以及塔底产品物流，完成流程图的绘制，如图2-3所示。图2-3 精馏静态模拟流程图2Setup选项中输入工艺数据。输入标题，选择输入输出数据单位制为ENG，物流类为CONVEN，物流流速选择为mole。3Components选项中确定组分，根据进料物质的分子式在Aspen Plus添加组分甲基环乙烷、甲苯和苯酚，如图2-4所示。图2-4 组分定义在Properties选项中选择热力学方法为活度系数模型UNIFAC。在Streams选项中输入物流数据：（1）进料参数温度：220 F；压力：20 psi；甲苯流量：200 lbml/h；甲基环乙烷流量：200 lbml/h。（2）萃取剂参数温度：220 F；压力：20 psi；苯酚流量：1200 lbml/h。在Blocks选项中输入单元操作模块的数据：（1）配置 塔板数：22块；塔顶冷凝器：全冷凝；塔顶馏出物流量：200 lbmol/h；回流比：8。（2）物流位置 萃取剂进料位置：第14块塔板；原料进料位置：第7块塔板。（3）压力分布 第1块板压力：16 psi；第22块板压力：20.2 psi。经过以上步骤之后，一个精馏分离模型就已经建立完毕。点击运行，进行稳态仿真。首先打开Contoll Panel菜单，可以看到收敛循环上 Err/Tol的数值逐渐变小至收敛。2.1.4 仿真结果分析仿真运行完成后，可以查看单元操作模块的计算结果。对这个精馏分离模型Aspen Plus仿真计算的结果非常全面，包括反应后塔顶塔底各种参数（温度、压力等）和各种物质的含量以及每层塔板上的混合物组成情况等等。1塔顶冷凝器计算结果图2-5塔顶冷凝器计算结果如图2-5所示为最上层的冷凝器的计算结果，热负荷为-24165073Btu/hr，温度为218.833 F，高于甲基环乙烷的沸点213.681 F而低于甲苯的沸点231.134 F，在这个温度下，冷凝器里面甲基环乙烷为汽态，能够经过冷凝作用从塔顶馏出，甲苯为液态，会向下面的塔板流动。前面在建立模型过程中Blocks选项中输入单元操作模块的数据时，设置塔顶馏出物流量200 lbmol/h，回流比为8，此时在计算结果上看到冷凝器的数据完全与设置数据吻合，回流率等于蒸馏物流量和回流比的乘积。2各层塔板参数计算结果，如图2-6所示。如图2-6 各层塔板参数计算结果塔顶第一块板(冷凝器的位置)的温度最低，为218.833 F，从上往下各层塔板温度缓慢上升。塔板压力值在前面设置时，塔顶第一块被设为16 psi，塔底第22块为20.2 psi，从上图可以看见这两块板的压力等于设置值，中间各层的压力自下而上逐渐降低。塔顶热负荷最小为负值，塔顶最大，中间其他板都为0。在塔顶只有液相物质，没有汽相，其他塔板汽液混合。从理论上分析，因为塔顶是依靠冷凝器的冷凝作用获得蒸馏产物，其温度应该最低，压力最小，热量负，由于汽态物质在冷凝器上冷凝，所以产物全部为液态。可见计算结果与理论分析师吻合的。3各层塔板组分计算结果如图2-7所示。图2-7 各层塔板组分计算结果可以看见，在塔顶第一层塔板馏出分离的产物甲基环乙烷（MCH），且纯度高达98%，越往下面的塔板甲基环乙烷的纯度越低。4物流计算结果图2-8 物流计算结果这个计算结果就是最终的精馏分离达到平衡时各个流股的相关信息（其中1、2为进料流股，3、4为出料流股）。可以看到精馏分离能量平衡时各个流股的温度、压力、热负荷等，物料平衡时各流股的流率，即进料速度、塔内物料流动和出料速度达到平衡，此时甲苯和甲基环乙烷流率为200 lbmol/hr，萃取剂苯酚的流率为1515.015 lbmol/hr，分离提纯的甲基环乙烷纯度达到195.997/（195.997+0.280+3.724）= 98%。2.2 精馏分离模型添加动态数据稳态仿真可以得到系统的稳态值，进而进行稳态分析，而不能够显现动态系统的动态过程。为了更体现该动态系统的本质特性，进行动态仿真。其不同之处在于，动态系统要体现出输出相对于输入变化的特点。Aspen Dynamics进行的动态模拟仿真是直接建立在原有的Aspen Plus稳态仿真平台上, 只需将原有的静态仿真应用进行转换即可得到动态流程模拟应用。在稳态仿真平台上使能动态特性，然后进入动态数据设置。1设置热传输方法为LMTD(对数平均温差法)。这种方法需要设置入口介质温度、热容积以及位于介质和处理液之间的初始温度，适用于液体交换传感热时温度变化的情形。自动计算初始物流率，而且此流率可以在动态仿真过程中手动操控或由一个控制器操控。2 回流罐几何形状设置为平放、两头椭圆形，长6英尺，直径3英尺。如图所示。图2-9 回流罐几何形状塔板几何尺寸设置。由于第1块板为塔顶蒸馏产物出口，第22块板为塔底其他混合物出口，仅需要设置第2到低21块板，直径全部设置为5英尺。动态数据设置完毕后，将文件导出为Aspen Dynamics的可执行文件，下一步可以在Aspen Dynamics里进行动态仿真。输出类型为流量驱动型。流量驱动的模拟，模块的出口物流压力与流量由模块的进料状况与模块参数决定，不受下游模块的压力影响。流量驱动的动态模拟与Aspen Plus中一样，对于每个模型，给定了进料参数与模块参数有固定的规则来决定出口流率与压力。有些情况下，在动态模拟转化过程中，自动生成由压力和液位控制器决定的出口流率。流量驱动的模拟可以进行大部分的动态模拟应用。这种方法假设了完美的流量控制，这种假设通常比较合适，尤其是模拟仅有液体的系统。对于液体，压力/流量动力学非常快，完美流量控制的假设通常是准确的。2.3 Apsen Dynamics进行精馏分离动态仿真2.3.1 PID控制稳态仿真计算得到精馏分离达到平衡时各物流的相关信息。在动态方仿真里，通过添加扰动，破坏原来稳态仿真的平衡，由PID控制器反馈控制，动态调节，最终达到新的平衡。比例、积分、微分(PID)控制是控制系统中技术最成熟，运用最广泛的一种控制方式。其基本原理是根据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，所得结果输出给执行机构，执行机构根据偏差值的运算结果来控制被控对象。 e(t)为控制器的输入即控制系统的给定量与输出量的偏差；u(t)为控制器的输出；Kp为比例系数；Tl为积分时间常数；TD为微分时间常数。 在连续时间域中，PID控制器算法的表达式为： 一般控制系统的PID系统控制框图如图所示。其中，r(t)为系统设定值，c(t)为系统反馈值，e(t)为反馈误差，u(t)为PID控制器输出值。图2-10 PID控制系统框图比例环节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分环节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差,积分调节就进行，直至无差，积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分环节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性,能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。2.3.2 设置PID控制器在动态仿真软件Aspen Dynamics里打开前面在Aspen Plus导出的精馏分离文件，向精馏分离模型中添加一个PID控制器MCHCOMP和一个延时模块MCHCOMPDT。设置PID控制器的输入即系统反馈值为流股3（馏出产物）中甲基环乙烷的纯度。PID控制器的输出值为流股2中萃取剂苯酚的流率。 则有：c(t) = STREAM(3),Zn(MCH)u(t) = STREAM(2),FcR(PHENOL)在中间加上一个延时模块，设置延时时间为5min。设置后的动态仿真流程图如图2-11所示。 由于稳态仿真计算结果苯酚流量为1515 lbmol/hr时产物中甲基环乙烷纯度98%，设置PID控制器MCHCOMP的输入初始为r(t) = 0.98，输出初始值为1515，比例系数为Kp=-6,积分时间常数为T1=30min,微分时间常数为Td=0。 图2-11 精馏动态模拟流程图2.3.3 Aspen Dynamics进行动态仿真设置好PID控制器直接运行仿真，结果如图2-12所示。由图看到PID控制器的输入值稳定在0.98，输出值稳定在1515.1025。由于仿真是从Aspen Plus的稳态结果开始，没有加入任何扰动，所以仿真图所示的变量还是处于稳态。图2-12 不加扰动动态仿真图将稳态仿真计算结果中输入混合物的流率修改，添加组分扰动，如图2-13所示，流股1中混合物原来甲苯和甲基环乙烷流率都是200 lbmol/hr，现修改为甲苯流率180 lbmol/hr，甲基环乙烷流率220 lbmol/hr。再次运行仿真，得到仿真结果如图所示。由图看到，加入扰动后，一开始甲基环乙烷的回收纯度超过了98%，通过PID控制器的反馈控制，不断调节苯酚的流率，经过三小时后甲基环乙烷的纯度重新达到98%，此时计算得到萃取剂苯酚的流率为1460.5901 lbmol/hr。图2-13加扰动后动态仿真图第三章 CSTR模拟3.1 CSTR模型3.1.1 CSTR 简介CSTR(continuous stirred tank reactor)连续搅拌槽反应器又称连续搅拌反应器系统，是指带有搅拌浆的槽式反应器。搅拌的目的在于使物料体系达到均匀状态，以有利于反应的均匀和传热。反应过程包括体系中物料的物理和化学的变化，表征其体系特性的参数包括温度、压力、液位及体系组分等。CSTR属于化学动力学类反应器，在仿真过程中根据化学动力学计算反应结果。CSTR原理：在一个密闭罐体内完成料液的发酵、沼气产生的过程。消化器内安装有搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态。投料方式采用恒温连续投料或半连续投料运行。新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液菌种混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。CSTR优点：CSTR工艺可以处理高悬浮固体含量的原料。消化器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加了物料和微生物接触的机会。CSTR性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。可同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。CSTR用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。图3-1 CSTR的连接图CSTR的连接如图3-1所示，至少需要一股进料物流和一股出料物流，输入热流和输出热流都可以随意选择。3.1.2 CSTR仿真模型图3-2 CSTR系统示意图本章仿真在如图所示的非恒温CSTR(Continuous stirred tank reactor，连续搅拌釜式反应器)系统上实现。反应器中实现一阶放热反应，且假定其中为全混流，物理特性恒定。该系统有一个供给流，一个冷却流和一个产品流。系统可视为由下式表示的5输入2输出的一阶动态非线性系统。 （3-1） （3-2）两式分别描述了系统中的质量和能量平衡。其中输入变量包括三个扰动输入：供给流浓度()和温度()、产品流流速()和冷却流温度()，及一个操纵变量冷却流流速()。输出变量包括产品流的浓度()和温度()。利用控制通过调节冷却水的流速()可以控制出口处的温度(T)，这里采用如下比例反馈控制， （3-3）3.1.3 CSTR仿真模型参数上述模型中的参数取值如表3-1所示。表3-1 CSTR模型参数仿真中，CSTR由下面过程扰动来激励， （3-4）其中为标准差，为标准白噪声过程，为扰动自回归系数，这里只考虑非自相关的扰动，即。扰动输入变量的真实值可表示为，为各变量操作点值。每一个过程变量的测量值都可表示为，其中为测量噪声的标准差，为标准白噪声过程。利用公式和上述扰动激励，即可实现CSTR系统的仿真。各变量的操作点值/稳态值为：，。比例反馈控制系数为。此时测量噪声和过程噪声的标准差分别为：表3-2 CSTR仿真过程的测量噪声和过程扰动方差F4e-61.9e-3CAin1e-26.44e-3TAin2.5e-34.75e-2TCin2.5e-34.75e-2FC1e-20CA2.5e-50T4e-40在上述仿真条件下，可得出CSTR正常和故障状态的仿真数据，故障主要包括传感器/执行器故障、过程扰动过大故障及对象故障。对象故障主要指反应物不纯和冷却丝脏污，可分别通过为和施加一波动随机系数来实现，由于它们与过程扰动过大的作用本质相同，所以这里不考虑这两种故障，即两系数为定常数1。3.2 CSTR模型的建立与仿真3.2.1 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.2.2 使用Simulink建立仿真模型在这一步根据前面CSTR仿真模型质量平衡和能量平衡方程组，使用Simulink模型库各个组件建立起仿真模型。七个输入输出量、中、四个变量是过程变量，值为，其中为稳态值，为测量噪声的标准差（由于仿真过程没有实际测量值，设为0），为标准白噪声过程，这样这四个变量由稳态值和高斯白噪声两部分组成，在建模的过程的过程中作为一个子系统构造，以F为例，构建如图3-3所示。常量Constant3的值为F的稳态值，设为1，左边的的高斯白噪声产生器产生的扰动波形如图3-4所示，其方差为F的扰动方差1.9e-3。图3-3 过程变量子系统图3-4 高斯噪声波形图将所有变量构建完成以后，根据质量平衡和能量平衡方程组搭建模块如图3-5所示，将Ca、T、Fc的值连接示波器，以便观察仿真结果。图3-5 Simulink建立的CSTR模型在Model Properties菜单里设置各变量的稳态值和各个参数值，如图3-6所示。图3-6 CSTR模拟稳态值3.2.3 Simulink仿真CSTR结果以上建模和参数设置完成后，点击运行仿真，得到图3-7示仿真结果。图3-7 CSTR模拟结果由动态仿真结果图可见通过Fc的反馈比例控制，该CSTR反应器动态仿真基本实现，整个仿真装置能够正常运作。但是由于四个过程变量供给流浓度()和温度()、产品流流速()和冷却流温度()等参数的动态扰动较大，导致在CSTR的出料口，产品流的输出不够稳定产品流浓度在1.82.2之间波动，平均值在2.0左右。产品流的温度在366K左右波动。如果将以上仿真时四个过程变量的扰动全部减小，也就是将每个变量产生模块的高斯白噪声发生器的方差减小，具体值如表所示。表3-3 修改后过程变量扰动值参数F1.9e-4CAin6.44e-4TAin4.75e-3TCin4.75e-3再次运行仿真，仿真结果如图3-8所示。可以看到由于供给流浓度()和温度()、产品流流速()和冷却流温度()扰动的减小，产品流的浓度和温度相比较之前波动性减小，输出较稳定。图3-8 修改扰动后的模拟结果3.3 模拟结果存入数据库3.3.1 Matlab里的S_functionS_function函数是System Function的简称，用它来写自己的simulink模块。用S函数可以利用matlab的丰富资源，而不仅仅局限于simulink提供的模块，而用C或C+等语言写的S函数还可以实现对硬件端口的操作。S_function是一个动态系统的计算机语言描述，在MATLAB里，用户可以选择用m文件编写，也可以用c或mex文件编写。S_function提供了扩展Simulink模块库的有力工具，它采用一种特定的调用语法，使函数和Simulink解法器进行交互。最广泛的用途是定制用户自己的Simulink模块。它的形式十分通用，能够支持连续系统、离散系统和混合系统。Simulink的仿真过程有两个阶段：一个为初始化，这个阶段主要是设置一些参数，像系统的输入输出个数、状态初值、采样时间等；第二个阶段就是运行阶段，这个阶段里要进行计算输出、更新离散状态、计算连续状态等等，这个阶段需要反复运行，直至结束。Simulink在每个仿真阶段都会对S_function进行调用，在调用时，Simulink会根据所处的仿真阶段为flag传入不同的值，而且还会为sys这个返回参数指定不同的角色，也就是说尽管是相同的sys变量，但在不同的仿真阶段其意义却不相同，这种变化由simulink自动完成。在matlab的workspace里打edit sfuntmpl(matlab自己提供的s函数模板)，第一行是这样的：function sys,x0,str,ts=sfuntmpl(t,x,u,flag)。其中t是采样时间，x是状态变量，u是输入（是做成simulink模块的输入）,flag是仿真过程中的状态标志（以它来判断当前是初始化还是运行等）；sys输出根据flag的不同而不同，x0是状态变量的初始值，str是保留参数（一般在初始化中将它置空,str= )，ts是一个12的向量，ts(1)是采样周期，ts(2)是偏移量。3.3.2使用S_function将仿真结果存入Oracle数据库在Oracle里面建立一个数据库服务，以便存储仿真结果，服务器名XSCJ用户名system，密码wsh2。在数据库XSCJ中建立一张表（表名为CSTR_SIMULINK），用来存储实时仿真的数据。在Simulink的Model Properties菜单里建立一个与服务器XSCJ的连接，代码如下：global connconn=database