论文总字数：16061字

摘 要

带强制循环的蒸发器由于其蒸发效率高，广泛应用于造纸、冶金、石油等工业生产部门，是化工生产中的重要装置。它是一个多输入多输出系统，而且回路之间存在较强耦合，是强非线性的复杂化工过程，这给系统控制带来一定的困难。如果采用常规控制方法，很难满足实际的工业生产要求。

本文在深入研究过程的动态特性的基础上，完成了机理建模，分析其自由度，选择被控变量，并且将非线性模型线性化，获得线性化动态模型，用相对增益矩阵法进行变量配对，确定系统的控制回路。最后利用Matlab/Simulink软件进行仿真测试和分析，数字仿真结果表明用简单的PI/PID控制器可以满足控制要求，在加载不同的扰动时能获得理想的控制效果。

关键词：强制循环蒸发器、机理建模、线性近似、控制结构设计、PID控制、Matlab/Simulink仿真。

Research and Simulation of control of the forced circulation evaporation process

Abstract

Forced circulation evaporator is one of important equipment in chemical production, widely used in paper, metallurgy, and the oil industry for its high efficiency. The evaporator system is a nonlinear and MIMO system and contains strong coupling relations between control loops, which results in many difficulties for system control. It’s hard to meet the requirement of industrial manufacturing process if we adopt conventional control methods merely.

On the basis of thoroughly research of dynamic characteristic of the evaporator system, the mechanism modeling is conducted and degrees of freedom(DOF) is obtained. After studying and understanding the principles of how to select manipulated variables, 4 manipulated variables are selected.

This article accomplished the linearization of the nonlinear model and the linearized dynamic model is obtained. By relative gain array method, variable paring is obtained and control loops are determined. Using MATLAB/Simulink, simulation test and analysis is accomplished. By using PI/PID controller merely, the results can meet control requirements and show that the system has excellent control effect against all kinds of disturbances.

KEYWORDS: Forced Circulation Evaporator, Mechanism Modelling, Linearization, Control Structure Design, PID Control, Matlab/Simulink Simulation.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究现状 1

1.1.1 研究目的与意义 1

1.1.2 控制要求 2

1.1.3 扰动因素 2

1.1.4 控制结构设计步骤 2

1.2 论文的研究工作 3

1.2.1 过程描述 3

1.2.2 论文各部分内容概述 4

第2章 系统建模 5

2.1 引言 5

2.1.1 建模意义 5

2.1.2 模型分类 5

2.1.3 模型特点 6

2.2 机理数学模型 6

2.2.1 物质平衡方程 6

2.2.2 能量平衡方程 7

2.2.3 换热壳 7

2.2.4 冷凝器 8

2.3 自由度分析 8

2.4 被控变量选择 11

2.4.1 建议准则 11

2.4.2 被控变量选择 11

2.5 线性化动态模型 12

2.5.1 非线性模型的线性化 12

2.5.2 状态空间模型 13

2.5.3 传递函数 15

2.5.4 稳态增益矩阵 17

第3章 控制结构设计 18

3.1 变量配对 18

3.1.1 Bristol相对增益矩阵法 18

3.1.2 相对增益矩阵的计算 19

3.1.3 相对增益矩阵的分析 19

3.2 控制器及参数设定 19

第4章 仿真测试 22

4.1 开环仿真结果 22

4.2 无扰动作用下的仿真结果 23

4.2.1 采用整定参数 23

4.2.2 采用其他参数 25

4.3 单独阶跃扰动作用下的仿真结果 27

4.3.1 进料流量作阶跃扰动 27

4.3.2 进料成分作阶跃扰动 30

4.3.3 进料温度作阶跃扰动 32

4.3.4 冷却水温度作阶跃扰动 35

4.4 阶跃扰动作用下的仿真结果 37

4.5 随机扰动作用下的仿真结果 40

4.6 大幅扰动作用下的仿真结果 44

第5章 总结与展望 47

参考文献 48

绪论

研究现状

研究目的与意义

蒸发是用加热方法使溶液沸腾，其中溶剂汽化，而溶质不具有挥发性，从而达到溶液浓缩目的的操作。蒸发操作广泛存在于海水淡化、氧化铝生产、造纸等工业领域。带强制循环的蒸发器是蒸发过程中的重要设备，它依靠外加动力（例如用泵）迫使流体沿一定方向循环，其结构如图1-1所示。它避免了溶液因生垢层和析出晶体而堵塞管子的情况。强制循环蒸发器沸腾传热系数高，非常适合于蒸发黏度大和易结晶结垢的物料[^[1]]。由于能显著提高生产强度和改善操作条件，所以在技术上有一定的优越性[^[2]]。其缺点是设备费用高，能量消耗大。

强制循环蒸发器

近年来，随着全球范围内的市场竞争越来越激烈，以及计算机控制技术特别是集散控制系统（DCS）的迅速发展，现代化工企业向着高度集成化与自动化的方向发展，计算机控制技术在蒸发过程的控制也不断成熟和发展。不少大、中型企业，例如化工、医药等工业生产中，蒸发系统渐渐都采用计算机控制，使得在带强制循环的蒸发系统中，新的控制方案层出不穷，包括模型预测控制、解耦控制等。

控制要求

对于强制循环蒸发器，有如下主要控制要求：

1. 质量指标：在保证生产过程安全可靠运行的前提下，使产品质量达到实际的工业生产要求，即产品浓度要快速跟踪到系统的设定值[^[3]]。
2. 约束条件：为了保证蒸发器的生产过程正常、安全，避免出现故障工况，必须规定某些变量的约束条件。例如，保持蒸发器的液位不出现大的波动，蒸汽压力不能超过上限值。

扰动因素

影响蒸发器的因素众多，主要扰动如下：

1. 进料流量、成分和温度的变化：蒸发器的进料往往是由上游工序提供的，进料成分也是由上游工序的出料或者原料情况决定的，所以，对于蒸发系统而言，进料成分、温度及流量属于不可控扰动。
2. 加热蒸汽热量的变化：当加热剂是蒸汽时，蒸汽压力的变化往往会引起加入换热器的热量变化，这种热量变化会导致管内温度变化，对产品的纯度产生直接影响。
3. 冷却水吸收热量的变化：这种热量的变化主要是由冷却水的流量或温度变化引起的，会直接影响到回流量或回流温度，。

控制结构设计步骤

对于大型化工过程，Skogestad^[[4]]提出了系统性控制结构设计（Control Structure Design，简称CSD）流程，现将其总结简化成图1-2：

CSD系统性设计步骤

论文的研究工作

过程描述

在许多工业生产过程中（比如氧化铝的生产、纸的制造），常常通过蒸发进料中的溶剂来浓缩溶液。其中用的很多的一种蒸发装置就是带强制循环的蒸发装置。进料与浓缩后的用于循环的部分溶液混合，被泵入垂直放置的换热器，在换热器壳程不断通入高温蒸汽，溶液通过管程内部，沸腾后进入分离器，通过分离器分离气液两相，气相溶剂组分经过冷凝器冷凝后排出，经浓缩后的液相溶液一部分作为产品馏出，其余部分作为循环流程与进料混合后重新进入换热器。蒸汽通常经冷凝后成为水，水又能作为冷却剂。

蒸发装置的流程示意图如图1-3所示：

‘

带强制循环的蒸发装置

这里设定：

1、忽略溶液效应热。

2、沸点上升为零。

3、所有的气相空间均为饱和蒸汽。

4、恒定的传热系数，热损失。

5、忽略蒸发器壁，管道的热容量。

控制目标：在各扰动变量的的波动范围为其名义值的±10%～±20%的条件下，蒸发装置仍然能够正常运行。

论文各部分内容概述

本论文正文分为5章：

第1章：主要阐述了强制循环蒸发器的研究目的与意义、控制要求和主要扰动因素，介绍了本论文研究过程的描述以及各部分内容。

第二章：介绍了系统建模的过程，从建立机理模型到最后的传递函数矩阵的各个步骤。

第三章：介绍了控制结构设计的过程，包括变量配对和控制器及参数的设定。

第四章：展示了在不同扰动情况下用MATLAB/Simulink仿真的结果。

第五章：总结了本文所做的工作，提出了能进一步研究的内容。

系统建模

引言

建模意义

有两种常用的控制系统设计方法：

传统方法。控制策略和控制系统硬件是基于对过程的知识、经验和理解来选择的。当控制系统已经安装在工厂中以后，再调整控制器的参数，这就是控制器整定。

基于模型的方法。首先建立工厂的动态模型，它至少在以下3个方面有所帮助：

（1）它可以用于基于模型的控制器设计；

（2）动态模型可以直接嵌入控制律（如模型预测控制）；

（3）模型可以用于计算机仿真，以评价各种不同控制方案，并确定控制器整定参数的初值。

对于复杂过程，应该建立一个动态模型，以使系统得到较好的设计。所以对于本文研究的带强制循环的蒸发系统，第一步就是建立系统的动态模型。

模型分类

根据建模的方法，模型可以分类如下：

1. 机理模型。应用化工、物理或生物等原理来建立的模型。
2. 实验模型。依靠拟合现场数据得到的模型。
3. 半实验模型。是一种结合（a）和（b）而形成的模型。机理模型中的参数值是根据现场数据计算出来的[^[5]]。

机理模型有两个很突出的优点：能深入理解过程的物理、化学特性，并且能适用于各种工况。但它也有明显弱点：建立机理模型耗资巨大，而且需要花费的时间更多。另外，对于复杂过程，机理模型常常包括一些难以得到的模型参数，比如反应系数、传热系数或物化特性等等。

虽然相比之下，实验模型比机理模型更易得到，但它们有更严重的缺陷：实验模型通常局限于一种工况，难以外推；应用实验模型时，必须关注所在的操作工况，尤其要留意在建模时其现场数据没能包括进来的那些工况。建模时所用到的数据的范围会比全部操作工况的范围小得多。

半实验模型有3个优点：（1）它们包含了理论知识，便于理解过程的特性；（2）与机理模型相比，它们能够外推到更多工况；（3）比起建立机理模型，建立半实验模型所需花费的精力少。因此，半实验模型在工业中得到了广泛应用。

模型特点

过程模型实质上就是一个真实过程的数学提炼。正如人们所说的“所有模型都是错的，但其中有一些是有用的”，数学模型仅仅是真实过程的一种近似。因此，无论从宏观还是微观来看，模型都是不可能体现出真实过程的所有特征的。建模本身就意味着在模型精度和复杂性两者之间的折中。从另一方面来说，为了创建和验证模型，还需要做出足够的努力、付出许多的代价。进行必要的折中时应该考虑许多因素，其中包括建模目标、应用模型所期望的收益以及应用者的背景（例如，是研究科学家还是工厂工程师）。

在不太复杂的情况下，模型应该显现出所有的重要动态特性。但是，为了使数学模型的方程、变量和参数等的数量合理，也可以忽略一些不太重要的现象。选择一组不恰当的简化假设往往会导致严格但过于复杂的模型，或者导致过于简单的模型，这两种极端都应该避免。

机理数学模型

物质平衡方程

总物料平衡方程

系统中的总物料（包括溶质和溶剂）的物质平衡方程为[^[6]]：

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