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摘 要

在实际工业应用中，往往会遇到包含许多个互相关联单元装置工厂的大型控制系统设计问题^【1】。整厂控制通过研究以下问题来处理单元之间的关联，即如何选择每个单元中的被控变量和操作变量，以及整体的控制策略。整厂控制是研究如何对被控变量和操作变量进行配对，何时使用多回路控制以及何时使用诸如MPC之类的多变量控制。

本次项目介绍了一种为整厂控制系统设计多回路、多变量测量以及控制策略的分级设计流程。这个流程能够帮助控制工程师确定最优的被控、控制和被测等变量，判断何时需要使用诸如MPC一类的先进控制技术，并选取合理的多回路控制结构，使耦合之间的交互影响最小。设计一个整厂控制系统不但是一门科学，也是一门技艺^【4】。通常，由于不止一种设计方案可以满足控制要求，因此整厂设计问题没有唯一解。而且，整个设计过程需要对其中某些步骤不断进行重复，直到达到满意的设计结果。过程仿真不但应该用来对关键操作变量的参数进行测试，而且应该用来校验不同的控制结构^【3】。

本次项目是整厂控制的一个实例分析，包括反应器和闪蒸装置的工厂，并且带有一个物料再循环。该控制系统的目标是控制反应产物的产量以及相关的组分,同时满足相关的过程约束条件，例如安全、环境和质量等，当然经济因素也是必不可少的。为实现这一目标，本项目采用了整厂控制系统的系统化流程，选择合适的变量配对以及控制策略，并进行计算机仿真，以检验设计是否合理。

关键词：过程控制系统、化工控制、整厂控制、反应器、闪蒸装置、再循环、Matlab、Simulink。

Case studies and simulation of continuous chemical process whole plant control system design methods

Abstract

In practical industrial applications，we will often encounter in the design of large control systems that contain many of the plant's interconnected units. The whole plant is controlled by studying the following problems to deal with the relationship between the elements such as how to select the controlled variable and operation variable in each unit and overall control strategy. The Control of the whole plant is to study how to match the controlled variables and operating variables, when using multi loop control and when to use multivariable control such as MPC.

This project introduces a hierarchical design flow for the design of multi loop, multi variable measurement and control strategy for the whole plant control system. This process can help control engineers to determine the optimal controlled, controlled, and measured variables，to judge when to use advanced control technologies such as MPC, and to select a reasonable multi loop control structure to minimize the interaction between the coupling. Designing an entire plant control system is not only a science, but also an art. Usually, because more than one kind of design scheme can satisfy the control requirements, the whole plant design problem has no unique solution. Moreover, the whole design process need to repeat some of the steps to achieve satisfactory results. Process simulation should not only be used to test the parameters of the key operating variables, but also should be used to verify the different control structure.

The project is an instance of the whole plant control analysis, including the reactor and the flash apparatus factory, and with a material recycling. The goal of the control system is to control the output of the reaction products and the related components, and to meet the related process constraints, such as safety, environment and quality, of course, economic factors are also essential. In order to realize this goal, this project adopts the systematic process of the whole plant control system, select the appropriate matching and control strategy, and computer simulation, in order to test whether the design is reasonable.

KEYWORDS: Process Control System, Chemical Control, Plantwide Control, Reactor, Flash Device, Recycling, Matlab, Simulink.

目录

连续化工过程整厂控制系统设计方法的实例研究及仿真 I

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.1.1 目标 1

1.1.2 运行环境 2

1.1.3 确定的部分 2

1.2 整厂控制系统的一般流程 2

1.3 整厂控制系统设计的系统化方法 3

1.3.1 控制系统设计目标 3

1.3.2 自上而下的分析 3

1.3.3 自下而上的设计 4

1.3.4 整厂控制系统设计的校验 4

第2章 总体设计 5

2.1 项目概况 5

2.1.1 一个带有各种流标号的具有反应器和闪蒸装置的工厂示意图 5

2.1.2 工厂潜在的操作变量和被控变量 5

2.2 确定控制系统设计目标 6

2.2.1 确定工厂的生产、经济和控制目标，包括所有产品的产量和组分。 6

2.2.2 确定所有必须满足的过程约束条件，包括安全、环境和质量约束。 7

2.3 进行自上而下的分析 7

2.3.1 确定过程变量、控制自由度、控制结构和分解设计问题的可能性 7

2.3.2 确定如何直接或间接测量被控变量，并且确定其他被测变量。 8

2.3.3 选择可能的操作变量。 8

2.3.4 进行一次先期的控制自由度分析（比较被控变量和操作变量的数量）。 9

2.3.5 辨识必须削弱的主要扰动的源及其性质。 10

2.3.6 基于稳态模型进行结构性分析，并评价是否需要把问题进一步分解。 10

2.3.7 建立整体控制结构（从概念上）。 12

2.4 完成自下而上的设计 13

2.4.1 明确控制系统针对不安全或异常的操作状态需要如何处理以及如何应对过程约束条件的限制。 13

2.4.2 确定产品产量和过程容量控制回路。 14

2.4.3 确定针对主要过程扰动的控制回路。 14

2.4.4 检查是否有引进先进控制策略的必要。 15

2.5 控制结构方案的确认。 16

2.5.1 进行一次最终的控制自由度分析，检查所有控制阀门的配置情况。 16

2.5.2 检查所有单元装置的控制设计。 16

2.5.3 检查过程约束和扰动对操作变量和被控变量的影响。 16

2.5.4 在各种不同生产条件下用仿真测试控制系统的性能。 17

2.5.5 工厂控制结构设计的解释与总结 17

2.6 控制结构对闭环响应性能的影响。 18

第3章 动态仿真 21

3.1 仿真模型 21

3.1.1 反应器 21

3.1.2 闪蒸装置（建模时使用的是理想分离器） 22

3.1.3 放空流的物料平衡 23

3.1.4 再循环缓存罐 23

3.1.5 反应器进料流的组分关系 24

3.2 控制自由度分析 24

3.3 简化组分模型 24

3.4 简化滞留量模型 25

3.5 工厂参数和稳态操作点数据 26

3.5.1 反应器和闪蒸装置核心工厂模型参数 26

3.5.2 反应器和闪蒸装置工厂核心模型输入变量的初始值 26

3.5.3 反应器和闪蒸装置工厂核心模型的稳态操作点数据 27

3.6 仿真过程及分析 27

第4章 个人小结 39

参考文献 40

致谢 41

绪论

项目背景

目标

整厂控制通过研究如下问题来处理单元间的关联，即如何选择每个单元中的被控变量和操作变量，以及整体的控制策略。换句话说，整厂控制是研究如何对被控变量和操作变量进行配对，何时使用多回路控制以及何时使用诸如MPC之类的多变量控制。

大多数连续化工过程包含多个单元装置，例如反应器、锅炉、热交换器以及精馏塔等。化工过程设计的目的是在满足对物料和能源的最优操作的同时最小化资本投资。遗憾的是，在追求低投资和高效率的同时，过程设计加剧了单元装置之间的影响，从而使控制变得越来越困难。过程控制工程师对付这些装置之间交互作用的方法是设计一个控制系统，在过程扰动传播到其他装置之前将其抵消。

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