分馏塔建模及其非线性控制.pdf

网络出版时间：2015-10-23 09:20:46 网络出版地址：/kcms/detail/35.1070.N0920.068.html 高纯度分馏塔建模及其非线性控制 ,1 黄江茵 ，赵 晶 （厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024 ） 摘要：以高纯度分馏塔这一复杂非线性工业过程为对象，研究其建模及控制策略。以变参数 线性（LPV ）动态模型结构为基础，分别对多项式权重和高斯权重进行改进。采用带约束的 多项式权重，构造拉格朗日函数进行参数寻优，避免LPV 模型增益符号的错误；将高斯函 数改进为分段形式，使其能够应用于工作点非均匀分布的系统。分馏塔产品纯度输出拟合和 阶跃响应曲线对比结果显示，基于上述两种权重函数的LPV 模型均能够较好拟合系统输出， 最优匹配率达到74% 以上，并符合实际对象阶跃响应特征。基于所建LPV 模型设计非线性 内模PID 控制器，给出工作点上局部线性模型及控制器参数关系式，采用与辨识LPV 模型 时相同的方法对局部控制参数进行插值计算。仿真控制结果显示所提方法能够有效地将两个 输出控制在设定范围内，且具有参数整定简便，抗干扰性强的优点。 关键词：高纯度分馏塔；变参数线性模型；非线性PID 控制 中图分类号：TP273 文献标识码：A 分馏塔是对混合挥发液体进行分馏的一种化工设备，是石油炼制企业中最常见的重要设 备之一。高纯度分馏塔是典型的具有“病态、方向性”特征的非线性系统，对其进行辨识和 控制一直是工业界和学术界的难点。首先，某些输出之间存在非常强的相互作用；其次，模 型的增益很大程度上依赖于输入的变化趋势。当产品纯度接近100%时系统会进入饱和状态， 产品的纯度越高，非线性程度越大[1]。 分馏塔的基本运行原理，是将液体混合物根据其所含组分的沸点或是蒸汽压力的不同， 经过塔内多次分馏而分离为轻重不同的各种馏分。由于分馏塔的运行原理明晰，大多数对分 馏塔的建模研究都是根据物料平衡原理构建机理模型[2,3],但此类模型变量多，方程复杂， 不适合用于实际工业系统的实时控制中。对分馏塔的先进控制方法，包括预测控制[4]、模 糊PID 控制[5]等，但均基于近似线性模型，一定程度上影响了控制精度。若基于机理模型 或者非线性模型，将大大增加优化计算的难度和耗费时间。本文首先采用改进权重函数的 LPV 模型对高纯度分馏塔进行建模，后基于所建动态非线性模型，提出非线性内模PID 控制 策略并进行仿真，获得了较好的输出拟合和控制效果。 1 高纯度分馏塔建模 1.1 双操作变量LPV 模型改进 LPV 模型近几年来常被用于工业非线性系统的建模中[6]。它的主旨思想是，用一个基 于“操作变量 （scheduling variable ）”的动态模型来表示非线性系统。该操作变量要求能够 1收稿日期： 基金项目：福建省科技厅自然科学基金(2015J01275) ，厦门理工学院对外科技合作与交流专项（E201400900, E201401400 ） *通信作者：jiangyinhuang @ 直接反映系统的运行特性，即当系统处于相对稳态时，操作变量几乎保持恒定；当系统运行 在过渡过程时，操作变量也随之发生规律性改变。并且，其值可以实时测量，或者由其他变 量计算得到。对于绝大多数工业系统，都可以找到符合上述条件的操作变量。在实际应用中， 操作变量的选择将极大影响LPV 模型的拟合精度。公式(1)是LPV 模型