论文总字数：25854字

摘 要

化工工业的竞争日益激烈，化工过程设计更多的采用物料再循环的方法以提高生产率，充分利用未反应的物料，不断采用过程的能量集成以使能量消耗最小化，以获得市场竞争中的优势。这些改进设计导致了化工过程日益增加的复杂性，这些改进措施虽然在经济上是起促进作用的，但是却造成了多回路控制结构中，耦合过程之间的交互影响变大，过程的平稳运行难以得到保障。如何根据连续化工过程整厂控制的要求，设计出能够按照期望的运行工况，即安全又经济，且满足环保和质量的要求的过程控制系统，对于化工厂的正常运行来说是一个很关键的环节。本课题针对一个包含化工反应器、闪蒸装置和再循环缓存罐的小型模拟化工厂的控制系统设计问题进行设计、研究及Matlab环境中的仿真。根据Skogestad提出的整厂控制设计方法步骤，明确控制系统设计目标，按照各项技术条件和约束条件，进行过程分析并设计控制方案，建立了三种机理模型，包括一个完全组分模型和两个约减模型，运用相关知识，确定最优的被控、控制和测量等变量，分析和解决多变量耦合问题以及仿真测试控制系统的性能。

关键词：整厂控制、过程控制系统、MATLAB、机理建模、多变量耦合。

CASE STUDY AND SIMULATION OF DESIGN METHODS OF PLANTWIDE CONTROL IN CONTINUOUS CHEMICAL ENGINEERING PROCESS

Abstract

The chemical industry is becoming more and more competitive. Using material recycling method to raise productivity in chemical process design could make full use of the raw materials and minimize energy consumption so that the chemical enterprise can gain advantages in the market.

These improvements led to the increasing complexity of chemical process. The interaction between the coupling process become more intense. Because of this, It is difficult to ensure the operation of the process smoothly.

For the chemical industry, how to design operating conditions as same as expectation which is environment friendly and high-quality process control system based on requirements of “continuous chemical engineering process plantwide control”, plays a vital role in daily operation.

This project focus on how to design and simulate small chemical factory with chemical reactor, flash drum and recycle buffer tank by using Matlab. According to the plantwide control design method proposed by Skogestad, Ianalyse process and design control scheme by taking various technical conditions and constrains into consideration, then establish three mechanism models including a full compositions model and two simplified compositions model.

In this project, I successfully combined knowledge taught in class with method from current literature to solve problems, such as multivariable coupling, and test performance of the control system.

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KEYWORDS: Automation Control System, Plantwide Control., MATLAB, Mechanism Modelling，Taylor Series Approximation, Multivariable Control .

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.2 整厂控制 1

1.2.1 整厂控制的定义 1

1.2.2 整厂控制的分类方法 1

1.3 整厂控制设计系统化方法 2

1.4 项目仿真平台 3

1.5 PID控制 4

1.6 过程控制的自由度 4

1.6.1 控制自由度 5

1.6.2 变量的选择 5

1.7 过程建模 5

1.7.1 动态过程模型的原理 5

1.7.2 过程模型的分类 5

第2章 整厂控制系统设计 6

2.1 控制系统设计目标与约束 6

2.1.1控制系统的目标 6

2.1.2 控制系统设计的约束条件 6

2.2 自上而下的分析 8

2.2.1 明确过程变量、控制自由度、控制结构和分解设计 8

2.2.2 从概念上建立整体控制结构 11

2.3 自下而上的分析 11

2.4 核心工厂 11

2.5控制系统方案的确认 13

第3章 系统建模 14

3.1 系统建模用到的假设和方法 14

3.1.1 系统建模用到的假设 14

3.1.1 过程建模的系统化方法 ·14

3.2 完全组分模型 15

3.2.1 反应器 15

3.2.2 闪蒸装置 16

3.2.3 放空流的物流平衡 16

3.2.4 再循环缓存罐 16

3.2.5 反应器进料流的组分关系 17

3.2.6 完全组分模型分析 17

3.3 简化组分模型 18

3.3.1 简化组分模型方程 18

3.3.2 简化组分模型分析 18

3.4 简化滞留量模型 19

3.4.1 简化滞留量模型方程 19

3.4.2 简化滞留量模型分析 20

第4章 测试仿真 21

4.1 模型参数及稳态操作点数值 21

4.2模型结构实现 22

4.2.1 完全组分模型 22

4.2.2 简化组分模型 22

4.2.3 简化滞留量模型 23

4.3模型测试 24

4.3.1 简化组分模型 24

4.3.2 简化组分模型 26

4.4模型线性化 27

4.5加入PID控制的模型 31

4.5.1 模型结构 31

4.5.2 模型测试 31

第5章 总结与展望 37

参考文献 38

致谢 39

绪论

项目背景

伴随着社会发展和科技革新，传统工业尤其是化工工业中的竞争形势变得越来越激烈。为了在市场竞争中获得优势，企业不断寻求改进它们利润率和缩短产品生产时间的方法。一条有效而可行的方法是采用物料再循环以提高生产率，来回收利用没有参与反应的物料，不断采用过程的能量集成以使能量消耗最小化。这些改进设计导致了化工过程设计难度提高，技术难度提升，造成了各个单元操作之间的相互作用增大，多回路控制系统结构的耦合情况变得更为复杂，由此对过程的平稳运行提出了严峻的挑战。物料再循环通过引入一种积累效应而改变了过程的动态，同时也可能会引发“雪崩效应”，即指在再循环通道中可能存在一个或多个变量对其他扰动变量小的变化很敏感，换句话说，过程下游与上游单元之间引入能量反馈。由于物料再循环和能量集成引起的增加的相互作用，造成了扰动的反向传播，否则的话这些扰动将会从过程中传出，这使过程变为强非线性，并且会引起稳定性的担忧。

物料再循环和能量集成的影响，再加上必须考虑化学成分存量，使得设计具有良好的动态性能的过程或工厂变得非常重要。整厂控制是指为控制由许多互相连接的单元操作组成的整个化工过程或工厂，所必需的策略和系统，更精确的说，整厂控制是为达到整个过程的平稳运行需要的控制系统的研发，而不只是为了过程的各个单元操作。典型的现代工业过程由复杂的工艺流程构成，此流程包括物料再循环、能量集成和由多个复杂单元操作组成的结合体，这些构成要素再加上化学成分存量，造成了更多和更强的相互作用。所以也就产生了对超越各个单元操作控制设计方法的新的设计观点的需要。

整厂控制

整厂控制的定义：

整厂过程控制是为控制由许多互相连接的单元操作组成的整个化工厂设计所必需的系统和策略。根据一份包含多个再循环物料流、能量集成和许多不同单元操作（如蒸馏塔、热交换器和反应器等）的过程工艺流程图，给定这样的一个复杂、高度集成的过程，为了使工厂设备安全运行和达到设计目的，控制工程师必须对其设计实施必要的控制逻辑、仪器仪表和控制策略。[2]

整厂控制方法的分类

Buckley在1964年给出了关于整厂控制的最早的研究结果。然而整厂控制研究得到快速发展主要是在最近20年。在这段时间里，一些整厂控制的方法相继问世，这些方法既可以基于方法中的主要步骤来进行系统化的分类，也可以根据采用的控制器来分类。方法步骤或控制结构来分类。方法步骤或控制结构之所以可作为分类的良好依据是因为它们是各种整厂控制方法的重要特征和适用于所有整厂控制方法。基于方法步骤的分类将整厂控制方法分为四类：（面向过程的）启发式方法、（着重算法的）最优化方法、（面向模型的）数学方法以及采用混合方法步骤的方法。基于控制结构的分类将整厂控制方法分为三类：分散控制策略类、集中控制策略类以及混合控制策略类。[7]

整厂控制设计系统化方法

对需要做出多个决定的设计流程而言，一种有效的决策是使用分级结构。也就是说，细节性的研究将在更重要、更抽象的问题有了答案以后再进行进行。斯科格斯特德（Skogestad）提出了一种整厂控制设计流程，它基于整厂控制系统本身具有的多层次的特点，同时兼顾了自上而下和自下而上的设计思想。

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