基于Matlab的內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺

叢　琳, 陳鴻龍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島　266580)

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基于Matlab的內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺

叢琳, 陳鴻龍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島266580)

介紹了內部熱耦合精餾技術的建模與控制方法,設計了一套基于Matlab的內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺。該實驗平臺包括內部熱耦合精餾過程的建模、特性分析、控制方案設計、Wave非線性建模與控制等一系列仿真實驗程序,有助于學生了解內部熱耦合精餾技術的發展與前沿知識,掌握常規控制方法在復雜對象上的設計方法,培養和提高學生的創新能力和科研熱情。

內部熱耦合精餾塔； 仿真實驗平臺； Matlab

精餾是石油化工行業應用廣泛的單元操作之一,其能耗約占國民經濟總能耗的20%[1],而能源利用率僅為5%～10%。因此,精餾節能與優化控制一直是過程控制領域研究的重點、熱點和難點[2]。

內部熱耦合精餾技術是20世紀提出的四大精餾節能技術中節能潛力最大,但尚未完成商業化應用的新精餾技術,它比常規精餾技術可節能30%以上,引起了國內外的廣泛關注并取得了許多研究成果,加快向著商業化應用邁進[3-4]。

本文將關于內部熱耦合精餾技術的仿真建模、動態分析、控制方法設計以及基于Wave非線性新理論的建模與控制等仿真程序集成起來,在Matlab環境下搭建了仿真實驗平臺。利用該平臺,可以直觀地向學生展示內部熱耦合精餾技術及其最新發展,將科研內容融入教學內容當中,大大豐富了實驗教學內容。該平臺基于Matlab程序設計,對于熟悉Matlab的高年級本科生和研究生很容易上手,并且支持學生對現有方法進行改進和創新,進一步從教學中促進科研,使學生能盡早地了解和接觸科研工作。

1　內部熱耦合精餾過程的建模與控制

1.1內部熱耦合精餾技術的工作原理

內部熱耦合精餾塔的精餾段與提餾段被分成兩個單獨的塔,如圖1所示。精餾段在更高的壓強下操作,這樣在兩塔之間就存在壓強差,進而導致兩塔之間存在溫度差,便于熱量傳遞。在兩塔之間設置熱交換裝置,熱量從精餾段傳遞到提餾段,在正常工作過程中,甚至不需要冷凝器與再沸器,因此大大提高了能源利用率；兩塔之間設有壓縮機和節流閥來調整壓強差[5-6]。

圖1　內部熱耦合精餾塔的結構

1.2基于簡化近似模型的控制方案設計

基于MESH方程的機理模型過于復雜,難以直接運用到控制方案設計中。因此,早期的控制方法多采用基于簡化線性模型或者數據驅動模型。

由于內部熱耦合精餾過程具有反向響應特性,因此可以采用能夠反映該特性的二階傳遞函數模型,并基于該模型設計出內模控制方案(IMC)[7]。若忽略在某個操作點周圍的非線性特性,可以采用基于單位階躍響應的動態矩陣控制(DMC)[8]。ARX模型以及CARIMA模型都可以看作基于數據建立的線性簡化模型,基于ARX模型以及CARIMA模型可以分別設計一般模型控制方法(GMC)以及廣義預測控制方法(GPC)[9-10]。

以上方法能夠有效地維持被控對象在某個操作域下平穩工作,并能夠抑制一定的擾動,實現伺服控制。然而,由于內部熱耦合精餾塔的精餾段與提餾段之間存在熱耦合,導致對象的非線性特性要比常規精餾強。因此,基于以上簡化近似模型的方法存在不容忽略的模型失配現象。當操作條件發生較大變動或者有較大干擾存在時,以上控制方法難以保證系統正常工作。

1.3基于Wave非線性理論的建模與控制

近幾年來,一種基于Wave非線性理論的建模方法成為研究內部熱耦合精餾技術的有效手段[11]。

Wave非線性理論從自然界中的波得到啟發。自然界的波,例如水波或者聲波(見圖2(a)),以恒定的形狀、恒定的速度傳播；而在精餾中,濃度、溫度的曲線形狀變化緩慢,可以看作以一定的形態和一定的速度在精餾塔中移動,如圖2(b)所示,將這種變化看作是波的一種特殊形式。

圖2　Wave非線性理論示意圖

以Wave非線性理論來描述內部熱耦合精餾過程,不僅能夠準確地描述系統的非線性動態特性,而且相比機理模型大大簡化,只要把握住濃度或者溫度波的形態(波形)以及移動狀態(波速),就能夠較準確地描述精餾過程的動態變化過程。

由于既簡化了模型結構,又大大消除了模型失配,使得基于Wave非線性模型的控制方法的實際控制效果大大提升,并能夠實現內部熱耦合精餾過程的超高純控制[12-14]。

2　實驗平臺設計

本文所設計的內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺主界面采用Matlab的GUI圖形用戶界面開發環境設計(見圖3),底層程序采用Matlab程序語言,用M文件編寫完成。由于本校學生在諸多實驗課以及“控制系統仿真”必修課中,大量學習了Matlab編程技巧,因此該仿真平臺有助于學生快速入門。

平臺的主要模塊有模型選擇、特性分析、常規控制和Wave控制,涵蓋了內部熱耦合精餾過程的前沿知識,通過在后臺M文件中實現仿真,在GUI界面中完成調用。

模型選擇包含了分離二元混合物苯-甲苯以及近似三元混合物空氣的內部熱耦合精餾過程,采用以MESH方程為基礎的機理建模方式。特性分析中可以調用苯-甲苯以及空氣分離系統的靜態以及動態特性仿真程序。

圖3　內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺

常規控制模塊包括IMC(intermal model control)、DMC(dynamic natrix control)、GMC(Generic model control)、GPC(generalized predictive control)以及NMPC(nonlinear model predictive control)5種以不同線性近似模型為基礎的控制設計仿真。點擊任意一種控制方案,例如IMC,會給出該控制方案的原理圖或者采用的模型,以及伺服與常規控制仿真調用選項,如圖4所示。運行關聯的M文件,將顯示出仿真結果,學生如果對具體編程內容感興趣,也可直接查閱對應的M文件并進行修改。

圖4　IMC控制模塊

Wave控制模塊包含兩部分。

第一部分為Wave非線性動態仿真實驗,包括12個實驗模塊:

(1) 濃度波形傳播；

(2) 濃度波形補全；

(3) 溫度波形傳播；

(4) 溫度波形補全；

(5) 拐點位置觀測；

(6) 模型比較；

(7) 自然波速；

(8) Wava模型不對稱性1；

(9) Wava模型不對稱性2；

(10) Wava模型反向響應；

(11) 精餾段壓強Pr擾動下的濃度跟蹤；

(12) 進料量F擾動下的濃度跟蹤；

通過仿真程序展示內部熱耦合精餾過程中的諸多動態特性、Wave非線性特性,以及通過Wave模型跟蹤機理模型變化的仿真實驗。

第二部分為基于Wave模型的一般模型控制方案仿真實驗,將對濃度的控制轉化為對波形拐點的控制,通過觀測器實時觀測過程的Wave參數,最終通過雙環GMC方法實現高純控制,如圖5所示。與常規控制方案類似,包含設定值跟蹤以及擾動抑制的仿真實驗程序,點擊運行可得如圖6所示的仿真結果。點擊界面上“進料量階躍干擾”項,可以得到內部熱耦合精餾塔兩端產品濃度的時間響應,干擾量大小以及引入時間,可以自行在M文件中設置。

圖5　基于Wave模型的一般模型控制方案

圖6　仿真結果展示

3　結語

基于Matlab的內部熱耦合精餾塔仿真實驗平臺包含了關于該過程的一系列仿真實驗教學程序,涉及建模、特性分析、常規控制方案設計、以Wave特性為基礎的建模與控制設計,采用Matlab程序環境,底層的M文件可以方便學生學習和修改,有助于培養和提高學生的創新能力。該平臺可時時追蹤學科前沿技術,使學生了解該領域的最新研究成果,奠定研究基礎,有利于激發學生的學習興趣,為高年級本科生以及研究生后續的科研工作打下基礎。

References)

[1] 劉興高.精餾過程的建模、優化與控制[M].北京:科學出版社,2007.

[2] 王宇,徐燁琨,劉江永,等.小型精餾實驗裝置開發與應用研究[J].實驗技術與管理,2011,28(5):60-63.

[3] 叢琳,劉興高.基于內模控制的內部熱耦合空分策略[J].江南大學學報:自然科學版,2010(9):419-422.

[4] 石崗.PLC綜合性實驗設計[J].實驗室科學,2013,16(4):7-10.

[5] 劉興高.一種內部熱耦合空分裝置:中國,ZL200620107529.4[P].2007-10-03.

[6] 叢琳,劉興高,周葉翔.基于非線性Wave模型的內部熱耦合塔高純控制方案[J].東南大學學報:自然科學版,2012,42(增刊1):1-4.

[7] 叢琳,劉興高.基于內模控制的內部熱耦合精餾策略[J].化工學報,2010,61(8):2067-2071.

[8] Cong Lin, Liu Xinggao, Wang Chengyu. Dynamic matrix control of a high-purity internal thermally coupled distillation column[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2014,92(4):696-702.

[9] Liu Xinggao, Wang Chengyu, Cong Lin.Adaptive Robust Generic Model Control of High Purity Internal Thermally Coupled Distillation Column[J].Chemical Engineering & Technology,2011,34(1):111-118.

[10] Liu Xinggao, Wang Chengyu, Cong Lin. Adaptive generalized predictive control of high purity internal thermally coupled distillation column[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,2012,90(2):420-428.

[11] Liu Xinggao, Zhou Yexiang, Cong Lin. Nonlinear Wave Modeling and Dynamic Analysis of Internal Thermally Coupled Distillation Columns[J].AIChE Journal,2012,58(4):1146-1156.

[12] 王東,周東華,金以慧.自適應廣義一般模型控制[J].化工學報,2003,54(3):543-548.

[13] Liu Xinggao, Cong Lin, Zhou Yexiang. Nonlinear Model Predictive Control Based On Wave Model of High-Purity Internal Thermally Coupled Distillation Columns[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2013,52(19):6470-6479.

[14] Cong Lin, Liu Xinggao, Zhou Yexiang. Generalized Generic Model Control of High-purity Internal Thermally Coupled Distillation Column Based on Nonlinear Wave Theory[J].AIChE Journal,2013,59(11):4133-4141.

A simulation experimental platform for heat integrated distillation column based on Matlab

Cong Lin, Chen Honglong

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Modeling and control scheme designs of heat integrated distillation column are introduced, and then a simulation experimental platform for heat integrated distillation column based on Matlab is designed. The platform contains a series of simulation programs, including the modeling, the dynamic analysis, the controller design, modeling and control based on nonlinear wave theory, and so on. The simulation experimental platform will help the students learn the development and frontier of heat integrated distillation technology, grasp the control design methods for complex plant, and cultivate and improve their innovation capacity and research enthusiasm.

heat integrated distillation column; simulation experimental platform; Matlab

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.034

2015-12-10

國家自然科學基金項目(61309023)；山東省自然科學基金項目(ZR2013FQ032)；中央高校基本科研業務費專項資金項目

叢琳(1986—),男,山東威海,博士,講師,研究方向為內部熱耦合精餾過程的建模、優化與控制.

E-mail：conglin@upc.edu.cn

TP273.1

A

1002-4956(2016)6-0132-04