【摘 要】
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精馏是目前应用最为广泛且最重要的分离技术之一。隔壁塔(Dividing Wall Column,简称DWC)可以在很大程度上,减少化工生产中对精馏过程的设备投资和能源需求。在理论研究方面,DWC设备参数的优化和控制方案的选取一直是国内外专家、学者研究和讨论的重点。在翻阅了大量参考文献后,我们发现DWC是一种机械结构高度复杂,工艺参数繁多的设备集成。其被视作是一种具有非线性过程和时滞的复杂被控系统。
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精馏是目前应用最为广泛且最重要的分离技术之一。隔壁塔(Dividing Wall Column,简称DWC)可以在很大程度上,减少化工生产中对精馏过程的设备投资和能源需求。在理论研究方面,DWC设备参数的优化和控制方案的选取一直是国内外专家、学者研究和讨论的重点。在翻阅了大量参考文献后,我们发现DWC是一种机械结构高度复杂,工艺参数繁多的设备集成。其被视作是一种具有非线性过程和时滞的复杂被控系统。此外,由于输入和输出多变量关联的相互作用较强,这使得DWC比传统的精馏设备更难控制。显然,传统PID控制并不是DWC的最佳选择。本文在归纳总结过去研究的基础上,提出了采用滑模控制(SMC)来解决DWC的控制问题,为滑模控制在过程工业中复杂设备的应用上提供理论参考。本文在原有实验及理论研究的基础上,针对系统稳态参数的优化和动态过程的控制做了以下几点研究:(1)对DWC的“四塔模型”进行模拟计算,为三组分混合物的分离构建稳态基础。以塔的分离效果和最小热负荷为目标,对塔参数进行灵敏度分析。通过分析对比,进而得到了较为合适的工艺参数,在灵敏度分析的基础上对塔进行了全局的响应面优化和粒子群优化;(2)以优化后的稳态结构为基础,对“四塔模型”分离三组分混合物的过程进行动态控制研究。我们对系统分别构建了温度控制(TC)和温差控制(TDC)。通过添加进料流量扰动的方式,对比两者的控制效果,我们发现两控制都能够使变量在短时间内恢复平稳。但是,与TC相比,TDC对系统的控制性能有了明显提升。主要表现为,超调量下降和稳态误差减少等。特别的是,塔内中间组分采出量可以被稳定控制。而后,我们得到了过程的响应曲线,并导出输入量-输出量的数据关系;(3)根据所得到的数据关系,利用MATLAB软件,以传递函数为模型对DWC的动态控制过程进行数学建模,进而得到变量间的传递函数矩阵。利用相对增益矩阵原理,进行变量筛选,最终得到能够反映操纵变量、扰动变量和被控变量三者之间关系的最佳配对;(4)基于筛选所得的最佳变量配对,通过MATLAB软件中的Simulink模块构建DWC控制过程的PID结构和SMC结构,并引入史密斯滞后补偿环节。通过添加进料流量扰动,得到了系统的阶跃响应曲线并对PID和SMC对系统的控制效果进行对比。
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