高纯内部热耦合精馏塔的wave非线性建模与控制策略研究

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。内部热耦合精馏塔比常规精馏塔节能30％以上，具有极大的应用前景。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。目前常规控制方案控制质量在高纯时难以适用，究其原因在于近似线性模型、基于数据辨识的统计模型等模型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非常有限。本文以内部热耦合精馏过程的wave理论为出发点，建立相应的非线性wave模型以及设计控制策略，来解决上述问题。
　　主要工作及贡献如下:
　　1.将wave理论从常规精馏扩展到了内部热耦合精馏，详细分析了其中的不同和难点，提出了自然波速用来描述内部热耦合精馏过程时的局部波形特性。
　　2.为了解决模型不准确给控制器设计带来的困难，基于传统的wave波形不变的假设，建立了基于激波波速的wave非线性模型，并在此基础上成功设计了基于wave模型的模型预测控制。
　　3.考虑到内部热耦合wave传播过程中波形的改变，建立了基于即时波速的wave非线性模型，进一步提高了模型精度，详细分析了内部热耦合精馏过程中的wave非线性动态特性，并设计出了基于即时波速wave模型的一般模型控制方案，相比基于传统数据模型的一般模型控制方案，控制效果大大提高。
　　4.进一步，建立了基于简化即时波速的wave模型，该模型对内部热耦合精馏的两端产品纯度的跟踪精度大大提高;设计出了多种基于简化即时波速wave模型的一般模型控制，其中带自适应的一般模型控制比之前控制方案的控制效果大大提高、不带自适应的一般模型控制虽然效果稍差但是求解速度大大提高。
　　5.基于简化即时波速的wave模型，设计出了广义一般模型控制方案。该控制方案不但在高纯(0.999)下取得了较好的控制效果，而且成功实现了超高纯阶跃跟踪（0.9999和0.99999），并在超高纯设定值下，成功解决了干扰控制的难题。

目录

声明

致谢

摘要

符号说明

图索引

表索引

1 绪论

1．1 精馏节能研究背景

1．2 精馏节能技术的发展

1．3 内部热耦合精馏技术的发展

1．3．1 发展概况

1．3．2 热耦合精馏的概念设计

1．3．3 内部热耦合精馏塔的建模

1．3．4 内部热耦合精馏塔的控制设计

1．4 Wave理论在精馏过程中的发展与应用

1．4．1 Wave理论的提出与发展

1．4．2 Wave理论在精馏控制中的应用

1．5 本文组织结构

2 热耦合精馏中的wave研究与基于自然波速的局部分析

2．1 引言

2．2 内部热耦合精馏中的浓度波与温度波

2．3 内部热耦合精馏中wave研究的难点

2．3．1 变摩尔流的难题

2．3．2 波形形状变化的难题

2．4 自然波速的推导及特性分析

2．4．1 自然波速的推导

2．4．2 基于自然波速的干扰波动分析

2．4．3 “自陡峭’’波和“非陡峭”波共存的原因分析

2．5 本章小结

3 基于激波波速的wave建模与控制

3．1 引言

3．2 波形描述函数的建立

3．2．1 温度波形描述

3．2．2 浓度波形描述

3．3 基于激波波速的wave建模

3．3．1 激波波速的推导

3．3．2 内部热耦合精馏塔的机理建模

3．3．3 基于激波波速的wave模型

3．4 基于激波波速的wave模型的模型分析

3．5 基于激波波速wave模型的控制设计

3．5．1 模型预测控制设计

3．5．2 控制效果对比

3．6 本章小结

4 基于即时波速的wave建模与控制

4．1 引言

4．2 基于即时波速的wave建模

4．3 模型测试

4．4 基于wave模型的动态特性分析

4．4．1 对同大小不同方向的扰动分析

4．4．2 对同方向不同大小的扰动分析

4．4．3 不对称性的分析

4．5 基于即时波速wave模型的控制设计

4．5．1 一般模型控制的基本结构

4．5．2 基于wave模型的一般模型控制

4．5．3 控制效果对比

4．6 本章小结

5 简化的即时波速wave模型及控制设计

5．1 引言

5．2 基于即时波速wave模型的简化

5．3 模型测试

5．4 基于简化wave模型的一般模型控制设计

5．4．1 自适应一般模型控制

5．4．2 快速一般模型控制

5．4．3 误差指标分析

5．5 基于简化即时波速的wave模型的广义一般模型控制

5．5．1 广义一般模型控制

5．5．2 基于wave模型的广义一般模型控制

5．5．3 超高纯控制

5．6 本章小结

6 总结和展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文