精馏节能过程的wave非线性动态建模与非线性控制策略研究

【摘要】： 精馏节能控制一直是国际节能控制研究的重点和热点。内部热耦合精馏塔节能潜力可达常规精馏塔的30%以上,具有极大的应有前景。由于内部热耦合精馏过程具有强耦合、强病态、强不对称性、强反向响应等复杂非线性动态特性,其控制设计一直是阻碍该高效节能技术商业化的瓶颈问题。目前常规控制方案如PID,内模控制等即使能够控稳热耦精馏节能过程,但控制质量不好,特别是在高纯时目前已报道的各种控制方案难以适用,究其原因可能在于近似线性模型、基于数据辨识的统计模型等不能有效描述热耦合精馏过程的复杂动态特性,导致基于传统模型的各种先控方案对于控制效果的改善也有限。因此本文首先从内部热耦合精馏过程的非线性动态建模工作做起,然后建立内部热耦合精馏塔和内部热耦合空分塔的非线性控制策略。 论文主要工作与贡献如下: 1.首次对内部热耦合精馏塔(ITCDIC)的Wave传播现象进行研究,推导出内部热耦合精馏塔的非恒摩尔流自然波速、激波波速、波形描述函数等。结合热耦合关系,建立内部热耦合精馏塔的完整Wave非线性动态模型。在Wave分析的基础上,首次分析研究内部热耦合精馏塔的干扰脉冲传播特性,并综合分析内部热耦合精馏塔的不对称动态特性、反向响应等独特动态特性。 2.基于内部热耦合精馏塔Wave非线性动态模型以及Wave传播特性,建立了三种一般模型控制、两种广义一般模型控制策略。五种控制策略有效地克服了内部热耦合精馏塔各种传统控制方案体现出来的控制品质不高、鲁棒性不强等弊端。五种控制方案都结合了Wave模型,很好地解决了控制变量之间的耦合关联问题,实现了自然解耦。其中,基于振荡波速的改进广义一般模型控制方案在不牺牲塔底产品纯度的情况下,突破性地将塔顶纯度控制设定值提高到超高纯领域(99.999%)。 3.首次研究了内部热耦合空分塔(ITCASC)的Wave传播现象,推导出了内部热耦合空分塔的非恒摩尔流自然波速、激波波速公式。并以液氮液氧的浓度波形为例,分析了内部热耦合空分塔的波形相干性、干扰脉冲传播等特征。同时,结合Wave理论,对内部热耦合空分塔的非线性动态特性进行了研究,首次发现了内部热耦合空分塔强烈的反向响应等动态特性。 4.基于内部热耦合空分塔的开环响应特性研究,设计出了两种不同控制变量组合下的PI控制方案,并进一步设计出了有效的ITCASC一般模型控制方案和非线性模型预测控制方案。研究结果表明,一般模型控制方案因为模型失配问题,干扰控制效果反而较PI控制效果差;两种PI控制方案的对比证明采用侧提流量作为控制变量,虽然能减弱控制回路之间的耦合关系,但是对塔顶控制效果不是很好;而非线性模型预测控制方案有效地解决了模型失配的问题,并避免了控制解耦问题,在设定值控制、干扰控制方面都体现了不错的效果。 【关键词】：内部热耦合精馏塔 内部热耦合空分塔 Wave非线性动态建模 非线性控制策略
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ028.31
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-8
• 1. 引言8-22
• 1.1 节能研究背景8-9
• 1.2 精馏节能技术9-11
• 1.3 内部热耦合精馏节能技术11-14
• 1.4 热耦精馏的控制设计14-17
• 1.5 分离过程中的Wave现象17-20
• 1.6 研究意义与章节安排20-22
• 2. 热耦节能精馏过程Wave非线性动态建模22-54
• 2.1 引言22-23
• 2.2 内部热耦合精馏塔的波形23-33
• 2.2.1 浓度波形性质24-25
• 2.2.2 温度波形性质25-27
• 2.2.3 波形渐近特征解27-29
• 2.2.4 浓度波形描述29-31
• 2.2.5 温度波形描述31-33
• 2.3 内部热耦合精馏过程的波速33-41
• 2.3.1 自然波速33-34
• 2.3.2 干扰波动34-37
• 2.3.3 Wave传播趋势37-38
• 2.3.4 激波波速38-41
• 2.4 内部热耦合精馏塔的Wave非线性动态模型41-49
• 2.4.1 波形变化对波速的影响41-43
• 2.4.2 即时波速43-44
• 2.4.3 Wave模型的自由度分析及动态仿真44-49
• 2.5 基于Wave的动态特性分析49-54
• 2.5.1 不对称性51-52
• 2.5.2 反向响应52-54
• 3. ITCDIC的Wave非线性控制策略54-93
• 3.1 引言54-55
• 3.2 基于Wave模型的ITCDIC一般模型控制55-76
• 3.2.1 一般模型控制55-57
• 3.2.2 自然波速GMC57-59
• 3.2.3 即时波速GMC59-61
• 3.2.4 控制应用对比61-75
• 3.2.5 小结75-76
• 3.3 基于波动理论的改进广义一般模型控制76-92
• 3.3.1 引言76-77
• 3.3.2 广义一般模型控制77-78
• 3.3.3 基于Wave模型的广义一般模型控制78-80
• 3.3.4 基于振荡波速的广义一般模型控制80-81
• 3.3.5 控制方案应用对比81-92
• 3.4 小结92-93
• 4. 内部热耦合空分塔的Wave现象及控制研究93-108
• 4.1 引言93-94
• 4.2 ITCASC的Wave传播94-100
• 4.2.1 波形描述函数94-96
• 4.2.2 内部热耦合空分塔的波速96-97
• 4.2.3 内部热耦合空分塔的Wave传播及动态特性97-100
• 4.3 ITCASC的控制设计100-106
• 4.3.1 PID与一般模型控制100-103
• 4.3.2 热耦合空分塔的NMPC控制103-106
• 4.4 小结106-108
• 5. 总结与展望108-110
• 参考文献110-115
• 成果发表115-116
• 致谢116

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