基于MVC3的乙炔加氢反应器控制系统设计

摘要

乙烯的生产是石油化工产业中最为重要的一个环节，纯度没有达到要求的乙烯产品不能用于后续生产中，尤其是乙炔杂质的存在，会不同程度地影响以乙烯为生产原料的后续各个工段的反应。但是脱除乙炔的过程是非常复杂的，传统的PID控制器很难运用到其中而得到良好的控制效果，采用直接辨识法来得到反应器模型显然效果也会不理想。中石化某烯烃厂对乙炔加氢装置仍然采用的是人工操作，这种传统的操作方式存在很大缺陷:为了满足出口乙炔浓度不高于5ppm，反应器往往长期处于过加氢状态，这样便会造成氢气的浪费以及催化剂活性、选择性以及乙烯产量的降低。本文着力于解决这一实际生产中的问题:
　　首先根据乙炔加氢过程的工艺，从其反应机理出发，考虑加氢反应过程的能量平衡、物料平衡以及动力学方程，在工作点附近分段线性化，用反应器各床层温度作为状态空间模型的几个状态，确定其状态空间结构形式。采用最小二乘原理计算模型各参数矩阵并进行在线修正和离线验证，证实了模型的准确性及有效性，并实现了反应器出口乙炔浓度、催化剂活性和选择性的在线实时测量，为控制系统的设计做准备。
　　其次，控制部分采用最小协方差约束控制(MVC3)算法，该算法将系统输入、输出协方差约束考虑进来，以最小化一个新的综合指标为目的，并采用数学工具LMI结合Schur补引理进行求解，获得最优反馈控制律，对于工业生产过程而言更具有实际意义。通过与传统的手工操作相比较，突出了这一算法的明显优势。事实证明了该算法控制效果良好，能够很好的满足生产需求。
　　最后，当被控对象变化较大又来不及重构系统模型时，采用基于过程模型的最小协方差约束控制(MVC3)算法得到的原有反馈控制律可能将不再适应于当前已经变化的生产过程了，也就收不到令人满意的控制效果。因此，本文引入自抗扰控制(ADRC)技术，发挥其不需要被控对象精确模型以及鲁棒性强的优势，当MVC3控制器不适用于当前生产工况时，主要由ADRC控制器进行控制，指导生产过程的平稳运行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 乙炔加氢反应器模型的建立

1．2．2 乙炔加氢反应器的先进控制

1．2．3 线性矩阵不等式(LMI)在控制领域中的应用

1．2．4 协方差约束控制

1．2．5 自抗扰控制(ADRC)技术

1．3 本文主要研究内容

第二章 乙炔加氢反应器的最小协方差约束控制(MVC3)

2．1 引言

2．2 乙炔加氢反应器工艺介绍

2．3 乙炔加氢反应器机理模型的建立

2．4 最小协方差约束控制(MVC3)方法

2．5 工业应用验证

2．5．1 乙炔加氢反应器模型的辨识

2．5．2 最小协方差约束控制(MVC3)的应用

2．6 总结

第三章 自抗扰(ADRC)与最小协方差约束(MVC3)的协调控制

3．1 引言

3．2 PID控制技术的优点与缺陷

3．3 克服PID控制技术缺陷的方法

3．3．1 跟踪微分器(TD)

3．3．2 非线性组合的应用

3．3．3 扩张状态观测器(ESO)

3．4 自抗扰控制器设计方法

3．4．1 自抗扰控制系统的结构

3．4．2 自抗扰控制系统的设计步骤

3．5 自抗扰(ADRC)与最小协方差约束(MVC3)的协调控制

3．6 仿真结果

3．7 总结

第四章 乙炔加氢反应器控制系统设计仿真软件

4．1 引言

4．2 软件界面概述

4．3 软件功能介绍及操作说明

4．3．1 主界面

4．3．2 被控对象模型辨识界面

4．3．3 最小协方差约束控制(MVC3)系统设计界面

4．3．4 监测与判断控制效果界面

4．3．5 自抗扰(ADRC)控制器设计以及控制效果界面

4．4 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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