多变量模型预测控制算法及应用(开题报告)填料塔

1、多变量模型预测控制算法及应用（开题报告）填料塔多变量模型预测控制算法及应用（开题报告） 一.实验装置原理介绍及机理建模1.1实验装置的基本原理本装置的主体是一个填料塔，分为三段，共有三层塔板，用于冷水和水蒸汽在塔内进行热交换。热交换主要在塔的填料层内进行。水经过泵, 调节阀和转子流量计后，进入填料塔顶，由喷淋装置淋下，经热交换后的 水由塔底排入水槽。水蒸汽由电热蒸汽发生器对水加热而提供，经过转子 流量计和调节阀后入填料塔，由塔底向上排出。蒸汽冷凝释放热量，使冷 水升温。从而水和汽实现了热交换。本套控制系统的目标是控制填料塔某一层塔板的温度为定值，或按某 一规律变化。系统的主要控制手段有：调节水

2、流量和蒸汽流量，从而控制水汽热交换，达到控制目标。实验装置工艺流程图如下图所示。各部分功能为：填料塔用于水汽热交换；电热器用于产生蒸汽；调节阀用于调节水，汽的流量及加入干扰;转子流量计用于测量水，汽的流量。电磁阀用于控制水的通断。1.2实验的控制原理对填料塔塔板上温度调节的影响因素有：1 进水流量冰流量增大'换热时间减短，塔板温度降低水流量减小，换 热时间长，塔板温度升高.2 蒸汽流量:蒸汽流量大，传热量大,温度上升快;蒸汽流量小/专热量小， 温度下降蒸汽流量受蒸汽进气阀前后压力影响若电热器压力稳定，则流量 仅与阀门开启度有关，可选取线性调节阀，使两者成比例关系若调节阀前后 压力有波动

3、，则必须采取稳压措施.3. 进水温度:入水温度高,塔板温度高;入水温度低,塔板温度低.4. 蒸汽温度:蒸汽由电加热器对水进行加热产生定压下饱和蒸汽温度 恒定,对操作不构成干扰.5. 环境温度:影响较小，干扰可不计.由上可见,水流量，蒸汽流量和进水温度的变动是主耍影响，故选取前两 个因素作为控制变量，进水温度作为干扰量.控制手段：21. 控制进水流量塔板温度通过测温热电阻元件检测，当温度变化时，输出信号经温度变 送器，使温度信号转变为电信号操纵进水管道上的电动调节阀开大或关小 阀门，用控制冷水流量来达到控制塔板温度的目标.2. 控制蒸汽流量塔板温度通过测温热电阻元件检测，当温度变化时'输

4、出信号经温度变 送器/吏温度信号转变为电信号操纵蒸汽管道上的电动调节阀开大或关小 阀门，用控制蒸汽流量来达到控制塔板温度的目标.3. 控制进水温度可采用岀水部分循环的方法出水处温度升高的热水在泵前与总管流 入的冷水混合，然后输送到塔顶入口处,喷入填料塔屮电磁阀安装在热水管 道上阀门关闭,填料塔塔顶入水温度降低;反之升高这样，就可用控制热水 流量的方法來控制进水温度，给控制系统加入扰动.带控制点的工艺流程图如下图所示本系统可采用分程控制因为控制 系统的目标是控制填料塔某一层塔板的温度为定值或按某一规律变化，即 选取三层塔板温度t1,t2或t3中的任一个作为被控变量而如前面所分析 的,系统的控制变

5、量为进水流量vi和蒸汽流量v汽所以这是一个两输入单 输岀过程的控制系统，即用一个控制器來操纵两个阀门，因此可采用分程控 制的控制方案，按输出信号的不同区间去操纵不同阀门根据工艺耍求，当塔 板温度偏高时，应当先关小蒸汽再开大冷水，令温度控制器为反作用,温度升 高时其输出信号下降故要求在信号下降时先关小蒸汽再开人冷水,即蒸汽 阀的分程区间在高信号区，冷水阀的分程区间在低信号区.系统的工作过程如下:当系统投入运行吋，起始温度低于设定值,反作用 的温度控制器输出信号将增大，使蒸汽阀开度变大，蒸汽流量增大，使塔板温 度升高;当塔板温度升高到超过设定值后,控制器输出信号下降，渐渐关闭蒸 汽阀，接着使冷水阀

6、开度增大，水流量增大，使塔板温度下降从而能把其温 度控制在设定值上.1.3控制系统的机理建模控制变量：进水流量vi,蒸汽流量v汽；被控变量：某一层塔板上的温度t1,t2或t3;干扰：进水温度ti系统热量衡算(忽略出口气休的质量'热损失不计)：第一层塔板3带控制点的填料塔热交换流量控制系统工艺流程图4hl?cptl,cp 为水的比热(kj/kg?k)有 h1?mihi?mlhsmi?ml由于填料塔均分为三段，故ml可近似为l/3m汽m汽为进入填料塔的蒸汽流量得t水cpvti?l/3?汽hsv汽1?cvp(?水 i?l/3?汽 v 汽)t1为第层塔板温度；?水为水的密度(kg/m3);v3

7、i为进水体积流量(m/s);t?i为进水温度(c);?汽为蒸汽密度(kg/m3);v3汽为进入填料塔的蒸汽体积流量(m/s)第二层塔板m2为进入第二(mi?ml)hl?m2hs?(mi?m2)h2?mlhs(l)+(3)?hmihi?m2hs2?m,i?m2m2近似为2/3m汽得t?汽 cpviti?2/3?汽 hsv 汽2?c?p(水 vi?2/3?汽 v 汽)t2为第二层塔板温度第三层塔板(mi?m2)h2?m 汽 hs?(mi?m 汽)h3?m2hs(3)(4)(5)5h3?cpt3(l)+(3)+(5)?h3?mihi?m 汽 hsmi?m 汽t3?水 cpviti?汽 hsv 汽(6)cp(?* vi?汽 v 汽)t3为第三层塔板温度以上,(6)三式为基础稳态方程.系统的动态特性： 热平衡方程(mi?ml)cp 即(?水 vi?l/3?汽 v 汽)cpdtl?mihi?mlhs?(mi?ml)hl(刀 dtdtl?水 cpviti?l/3?汽 hsv 汽?(?水 vi? 1/3?汽 v 汽)cptldtdtl?(?水 vi?l/3?汽 v 汽)cptl?水 cpviti?l/3?汽 hsv 汽 cp ?dt?水 vi?l/3?汽 v 汽线性化，得dtl?fl?dt?tlo?t1?fl?vi