基于Matlab的内部热耦合精馏塔仿真实验平台

丛　琳, 陈鸿龙

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛　266580)



基于Matlab的内部热耦合精馏塔仿真实验平台

丛琳, 陈鸿龙

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛266580)

介绍了内部热耦合精馏技术的建模与控制方法,设计了一套基于Matlab的内部热耦合精馏塔仿真实验平台。该实验平台包括内部热耦合精馏过程的建模、特性分析、控制方案设计、Wave非线性建模与控制等一系列仿真实验程序,有助于学生了解内部热耦合精馏技术的发展与前沿知识,掌握常规控制方法在复杂对象上的设计方法,培养和提高学生的创新能力和科研热情。

内部热耦合精馏塔； 仿真实验平台； Matlab

精馏是石油化工行业应用广泛的单元操作之一,其能耗约占国民经济总能耗的20%[1],而能源利用率仅为5%～10%。因此,精馏节能与优化控制一直是过程控制领域研究的重点、热点和难点[2]。

内部热耦合精馏技术是20世纪提出的四大精馏节能技术中节能潜力最大,但尚未完成商业化应用的新精馏技术,它比常规精馏技术可节能30%以上,引起了国内外的广泛关注并取得了许多研究成果,加快向着商业化应用迈进[3-4]。

本文将关于内部热耦合精馏技术的仿真建模、动态分析、控制方法设计以及基于Wave非线性新理论的建模与控制等仿真程序集成起来,在Matlab环境下搭建了仿真实验平台。利用该平台,可以直观地向学生展示内部热耦合精馏技术及其最新发展,将科研内容融入教学内容当中,大大丰富了实验教学内容。该平台基于Matlab程序设计,对于熟悉Matlab的高年级本科生和研究生很容易上手,并且支持学生对现有方法进行改进和创新,进一步从教学中促进科研,使学生能尽早地了解和接触科研工作。

1　内部热耦合精馏过程的建模与控制

1.1内部热耦合精馏技术的工作原理

内部热耦合精馏塔的精馏段与提馏段被分成两个单独的塔,如图1所示。精馏段在更高的压强下操作,这样在两塔之间就存在压强差,进而导致两塔之间存在温度差,便于热量传递。在两塔之间设置热交换装置,热量从精馏段传递到提馏段,在正常工作过程中,甚至不需要冷凝器与再沸器,因此大大提高了能源利用率；两塔之间设有压缩机和节流阀来调整压强差[5-6]。

图1　内部热耦合精馏塔的结构

1.2基于简化近似模型的控制方案设计

基于MESH方程的机理模型过于复杂,难以直接运用到控制方案设计中。因此,早期的控制方法多采用基于简化线性模型或者数据驱动模型。

由于内部热耦合精馏过程具有反向响应特性,因此可以采用能够反映该特性的二阶传递函数模型,并基于该模型设计出内模控制方案(IMC)[7]。若忽略在某个操作点周围的非线性特性,可以采用基于单位阶跃响应的动态矩阵控制(DMC)[8]。ARX模型以及CARIMA模型都可以看作基于数据建立的线性简化模型,基于ARX模型以及CARIMA模型可以分别设计一般模型控制方法(GMC)以及广义预测控制方法(GPC)[9-10]。

以上方法能够有效地维持被控对象在某个操作域下平稳工作,并能够抑制一定的扰动,实现伺服控制。然而,由于内部热耦合精馏塔的精馏段与提馏段之间存在热耦合,导致对象的非线性特性要比常规精馏强。因此,基于以上简化近似模型的方法存在不容忽略的模型失配现象。当操作条件发生较大变动或者有较大干扰存在时,以上控制方法难以保证系统正常工作。

1.3基于Wave非线性理论的建模与控制

近几年来,一种基于Wave非线性理论的建模方法成为研究内部热耦合精馏技术的有效手段[11]。

Wave非线性理论从自然界中的波得到启发。自然界的波,例如水波或者声波(见图2(a)),以恒定的形状、恒定的速度传播；而在精馏中,浓度、温度的曲线形状变化缓慢,可以看作以一定的形态和一定的速度在精馏塔中移动,如图2(b)所示,将这种变化看作是波的一种特殊形式。

图2　Wave非线性理论示意图

以Wave非线性理论来描述内部热耦合精馏过程,不仅能够准确地描述系统的非线性动态特性,而且相比机理模型大大简化,只要把握住浓度或者温度波的形态(波形)以及移动状态(波速),就能够较准确地描述精馏过程的动态变化过程。

由于既简化了模型结构,又大大消除了模型失配,使得基于Wave非线性模型的控制方法的实际控制效果大大提升,并能够实现内部热耦合精馏过程的超高纯控制[12-14]。

2　实验平台设计

本文所设计的内部热耦合精馏塔仿真实验平台主界面采用Matlab的GUI图形用户界面开发环境设计(见图3),底层程序采用Matlab程序语言,用M文件编写完成。由于本校学生在诸多实验课以及“控制系统仿真”必修课中,大量学习了Matlab编程技巧,因此该仿真平台有助于学生快速入门。

平台的主要模块有模型选择、特性分析、常规控制和Wave控制,涵盖了内部热耦合精馏过程的前沿知识,通过在后台M文件中实现仿真,在GUI界面中完成调用。

模型选择包含了分离二元混合物苯-甲苯以及近似三元混合物空气的内部热耦合精馏过程,采用以MESH方程为基础的机理建模方式。特性分析中可以调用苯-甲苯以及空气分离系统的静态以及动态特性仿真程序。

图3　内部热耦合精馏塔仿真实验平台

常规控制模块包括IMC(intermal model control)、DMC(dynamic natrix control)、GMC(Generic model control)、GPC(generalized predictive control)以及NMPC(nonlinear model predictive control)5种以不同线性近似模型为基础的控制设计仿真。点击任意一种控制方案,例如IMC,会给出该控制方案的原理图或者采用的模型,以及伺服与常规控制仿真调用选项,如图4所示。运行关联的M文件,将显示出仿真结果,学生如果对具体编程内容感兴趣,也可直接查阅对应的M文件并进行修改。

图4　IMC控制模块

Wave控制模块包含两部分。

第一部分为Wave非线性动态仿真实验,包括12个实验模块:

(1) 浓度波形传播；

(2) 浓度波形补全；

(3) 温度波形传播；

(4) 温度波形补全；

(5) 拐点位置观测；

(6) 模型比较；

(7) 自然波速；

(8) Wava模型不对称性1；

(9) Wava模型不对称性2；

(10) Wava模型反向响应；

(11) 精馏段压强Pr扰动下的浓度跟踪；

(12) 进料量F扰动下的浓度跟踪；

通过仿真程序展示内部热耦合精馏过程中的诸多动态特性、Wave非线性特性,以及通过Wave模型跟踪机理模型变化的仿真实验。

第二部分为基于Wave模型的一般模型控制方案仿真实验,将对浓度的控制转化为对波形拐点的控制,通过观测器实时观测过程的Wave参数,最终通过双环GMC方法实现高纯控制,如图5所示。与常规控制方案类似,包含设定值跟踪以及扰动抑制的仿真实验程序,点击运行可得如图6所示的仿真结果。点击界面上“进料量阶跃干扰”项,可以得到内部热耦合精馏塔两端产品浓度的时间响应,干扰量大小以及引入时间,可以自行在M文件中设置。

图5　基于Wave模型的一般模型控制方案

图6　仿真结果展示

3　结语

基于Matlab的内部热耦合精馏塔仿真实验平台包含了关于该过程的一系列仿真实验教学程序,涉及建模、特性分析、常规控制方案设计、以Wave特性为基础的建模与控制设计,采用Matlab程序环境,底层的M文件可以方便学生学习和修改,有助于培养和提高学生的创新能力。该平台可时时追踪学科前沿技术,使学生了解该领域的最新研究成果,奠定研究基础,有利于激发学生的学习兴趣,为高年级本科生以及研究生后续的科研工作打下基础。

References)

[1] 刘兴高.精馏过程的建模、优化与控制[M].北京:科学出版社,2007.

[2] 王宇,徐烨琨,刘江永,等.小型精馏实验装置开发与应用研究[J].实验技术与管理,2011,28(5):60-63.

[3] 丛琳,刘兴高.基于内模控制的内部热耦合空分策略[J].江南大学学报:自然科学版,2010(9):419-422.

[4] 石岗.PLC综合性实验设计[J].实验室科学,2013,16(4):7-10.

[5] 刘兴高.一种内部热耦合空分装置:中国,ZL200620107529.4[P].2007-10-03.

[6] 丛琳,刘兴高,周叶翔.基于非线性Wave模型的内部热耦合塔高纯控制方案[J].东南大学学报:自然科学版,2012,42(增刊1):1-4.

[7] 丛琳,刘兴高.基于内模控制的内部热耦合精馏策略[J].化工学报,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] 王东,周东华,金以慧.自适应广义一般模型控制[J].化工学报,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

国家自然科学基金项目(61309023)；山东省自然科学基金项目(ZR2013FQ032)；中央高校基本科研业务费专项资金项目

丛琳(1986—),男,山东威海,博士,讲师,研究方向为内部热耦合精馏过程的建模、优化与控制.

E-mail：conglin@upc.edu.cn

TP273.1

A

1002-4956(2016)6-0132-04