基于内模解耦的精馏塔温度控制系统的研究

论文摘要

精馏塔系统是AIP页岩炼油工艺的油回收系统中最为重要的环节,它决定着最终页岩油产品的质量。由于精馏过程内在机理复杂,并且控制要求高,这使得精馏塔的控制成为过程控制界研究的热点,因此对精馏塔控制系统的研究具有现实意义。本文以某页岩炼油厂的精馏工艺为研究背景,以精馏塔温度控制系统为研究对象。根据对工艺的研究和分析,确定了将精馏塔塔顶出口温度和塔底出口温度作为精馏塔系统的被控变量。由于精馏过程复杂,被控对象具有非线性、强耦合、大惯性、大滞后和不确定性,难以建立精确的数学模型,因此建立了被控对象的近似数学模型。然后对塔顶和塔底两路串级控制系统进行分析和仿真,从仿真可知两个温度回路间的耦合问题十分严重,并利用了相对增益矩阵法定量分析了系统的耦合程度,确定了采取解耦措施的必要性。接着设计了前馈解耦装置,经过精馏塔温度的前馈解耦控制系统的仿真,仿真结果表明虽然解决了耦合问题,但是模型失配时控制效果不理想。针对模型失配时提高控制性能的问题,提出采用不依赖于精确数学模型的内模解耦控制方案以应对模型失配。在设计内模解耦控制器时,为了避免计算的复杂性,对模型采用了遗传算法进行近似,最后经过仿真表明内模解耦控制系统的动态性、稳定性、鲁棒性、方便性都要优于传统的前馈解耦控制系统。最后,对内模解耦控制器做了两方面的改进,使滤波器参数具备了模糊自整定的功能,无需人工调节滤波器参数以达到良好的控制性能；考虑到内模解耦控制器在集散控制系统上的可实施性,将内模控制器转化为PID控制器的结构形式。总之,本文所研究的内模解耦控制器为精馏塔的温度控制提供了一种便利、有效、先进、可实施的解耦控制方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 精馏塔设备概述
• 1.3 精馏过程控制系统的研究现状
• 1.4 论文背景说明
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 页岩精馏工艺原理及控制系统分析
• 2.1 页岩油精馏工艺原理
• 2.1.1 油母页岩的性质
• 2.1.2 页岩油精馏过程
• 2.2 精馏塔系统的控制方案
• 2.3 精馏塔系统的扰动分析
• 2.4 精馏过程数学模型的建立
• 2.4.1 建立精馏过程数学模型的难点
• 2.4.2 精馏过程内部动态机理模型
• 2.5 精馏塔温度的串级控制
• 2.5.1 精馏塔温度的串级控制系统分析
• 2.5.2 精馏塔温度的串级控制系统的实现
• 2.6 本章小结
• 第3章 精馏塔温度的前馈解耦控制
• 3.1 精馏塔温度控制系统的耦合分析
• 3.1.1 相对增益矩阵的定义及其意义
• 3.1.2 相对增益矩阵的推导
• 3.1.3 精馏塔控制系统的相对静态增益
• 3.2 精馏塔温度的前馈解耦控制
• 3.3 精馏塔温度控制系统的模型不确定性
• 3.4 精馏塔温度的前馈解耦控制系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 精馏塔温度的内模解耦控制
• 4.1 内模控制方法的引入
• 4.1.1 内模控制的原理
• 4.1.2 内模控制器的性质
• 4.1.3 内模控制器的设计
• 4.2 多变量内模解耦控制系统的分析
• 4.2.1 内模解耦控制器的分析
• 4.2.2 系统时滞条件的分析
• 4.2.3 系统非最小相位零点的分析
• 4.2.4 算例应用
• 4.2.5 滤波器的分析
• 4.3 精馏塔温度的内模解耦控制系统设计
• 4.3.1 内模解耦控制器的设计步骤
• 4.3.2 基于遗传算法的模型近似
• 4.3.3 精馏塔温度的内模解耦控制器设计
• 4.4 精馏塔温度的内模解耦控制系统仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 精馏塔温度的内模解耦控制改进
• 5.1 内模滤波器的模糊自整定
• 5.1.1 模糊控制的特点和原理
• 5.1.2 精馏塔温度的模糊内模解耦控制系统设计
• 5.1.3 精馏塔温度的模糊内模解耦控制系统仿真
• 5.2 内模解耦控制的IMC-PID转化
• 5.2.1 IMC-PID转化的原理
• 5.2.2 精馏塔温度的IMC-PID控制系统仿真
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢