基于NMPC的精馏过程曲线控制策略研究

发布时间：2017-06-10 17:22

  本文关键词：基于NMPC的精馏过程曲线控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精馏过程是典型的工业分离操作过程,常常广泛应用于化工、石油化工、石油等工业中。精馏过程的塔内压力温度、塔顶塔底组分等过程变量的控制品质是影响控制品质和产品质量的关键因素。精馏塔是典型的工业过程生产对象,在负荷变化和产品组分变化时,会体现出强烈的非线性特性且系统本身带有约束。此时,传统的线性预测控制理论和方法已经无法满足生产过程的需求,需要采用非线性模型预测控制算法来对工业过程进行预测和控制。本文以微分代数方程(DAE)模型描述的精馏塔为对象,采用基于机理模型的非线性模型预测控制算法(NMPC),研究了变工况(负荷和进料组分变化)情况下精馏塔的非线性控制问题。在控制策略上,从传统的二元组分控制策略扩展到组分profile曲线控制策略,提出了一种组分profile曲线的质心控制策略,该算法在算法收敛速度和控制性能上呈现出优势。本文的主要研究工作和创新点如下：1.在精馏塔的机理模型方程的基础上,研究了基于机理模型的非线性预测控制算法和求解策略。分析了精馏塔对象优化问题描述以及详细论述了精馏过程约束。结合精馏塔机理模型,对该算法求解策略进行了详细的说明。2.针对负荷变化和产品组分变化的情景下,研究了两种面向组分profile的曲线控制算法：基于组分曲线的预测控制算法和基于B样条曲线的预测控制算法。对三种控制算法(传统的二元组分控制、基于组分曲线的控制算法和B样条曲线控制算法)分别在进料组分和进料量变化下的系统响应速度以及控制品质进行仿真和比较。结果表明,面向组分profile的曲线控制策略性能要优于传统的二元组分控制策略,而基于组分曲线的预测控制算法和基于B样条曲线的预测控制算法在控制品质上没有体现出太大的差异性。3.针对工况变化时上述控制算法存在收敛速度慢的问题,提出了一种面向profile曲线控制的质心控制策略,该算法使用曲线的质心来描述整个组分profile曲线。对提出的质心控制算法分别在进料量和进料组分变化的情况下进行仿真,并与其它两种profile曲线控制算法进行比较,验证了所提出的质心profile控制算法的快速收敛性和抗干扰性性能。
【关键词】：精馏系统 非线性模型预测控制 组分profile控制 质心控制算法
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ028;TP273
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 非线性预测控制的发展历程及理论简介13-17
• 1.2.1 非线性预测模型13-16
• 1.2.2 NMPC的稳定性和无偏性16-17
• 1.3 分布曲线的建模与控制17-18
• 1.4 精馏塔的非线性建模与控制18-20
• 1.4.1 精馏塔非线性动态建模18-19
• 1.4.2 精馏塔组成profile控制19-20
• 1.5 论文主要研究内容20-22
• 第二章 精馏塔机理模型和非线性预测控制算法22-40
• 2.1 精馏塔的机理模型22-27
• 2.1.1 引言22
• 2.1.2 精馏塔模型方程的一般描述22-24
• 2.1.3 简化假设后的模型方程24-27
• 2.2 精馏塔控制方案分析27-30
• 2.2.1 精馏塔的控制目标27-28
• 2.2.2 精馏塔控制方案选择28-30
• 2.3 非线性预测控制命题的数值求解30-34
• 2.4 精馏塔非线性模型预测控制算法34-36
• 2.4.1 精馏塔机理模型的非线性预测控制34-35
• 2.4.2 精馏塔的约束35-36
• 2.5 精馏塔的二元组分控制仿真36-38
• 2.5.1 负荷变化时的抗扰响应36-37
• 2.5.2 组分变化时的跟踪响应37-38
• 2.6 本章小结38-40
• 第三章 精馏塔组分曲线的NMPC控制算法40-86
• 3.1 引言40
• 3.2 组分profile的非线性预测控制算法40-53
• 3.2.1 基于组分曲线的控制算法40-43
• 3.2.2 基于B样条曲线的控制算法43-53
• 3.3 控制算法的仿真—组分变化53-70
• 3.3.1 Case 1：10%进料组分变化54-62
• 3.3.2 Case 2：40%进料组分变化62-70
• 3.4 控制算法仿真—负荷变化70-84
• 3.4.1 Case 1：10%进料量变化70-77
• 3.4.2 Case 2：40%进料量变化77-84
• 3.5 本章小结84-86
• 第四章 基于NMPC的精馏塔组分质心控制算法86-112
• 4.1 引言86
• 4.2 质心控制算法推导和分析86-91
• 4.2.1 质心的数学描述86-88
• 4.2.2 质心控制算法设计88-91
• 4.3 控制算法仿真—组分变化91-103
• 4.3.1 Case 1：10%进料组分变化92-98
• 4.3.2 Case 2：40%进料组分变化98-103
• 4.4 控制算法仿真—负荷变化103-111
• 4.4.1 Case 1：10%进料量变化103-107
• 4.4.2 Case 2：40%进料量变化107-111
• 4.5 本章小结111-112
• 第五章 论文工作总结和展望112-114
• 5.1 工作总结112
• 5.2 展望112-114
• 附录 个人简历114-116
• 攻读学位期间发表的学术论文成果116-118
• 参考文献118-121

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 赵均;徐祖华;钱积新;;复杂工业过程的预测控制理论及其应用[J];自动化与信息工程;2009年03期

2 席裕庚;李德伟;;预测控制定性综合理论的基本思路和研究现状[J];自动化学报;2008年10期

3 徐胜红;孙庆祥;顾文锦;蒋文钟;;非线性预测控制模型方法综述[J];海军航空工程学院学报;2007年06期

4 ;Multi-step Predictive Control of a PDF-shaping Problem[J];自动化学报;2005年02期

5 王宏,岳红;随机系统输出分布的建模、控制与应用[J];控制工程;2003年03期

6 许超,陈治纲,邵惠鹤;预测控制技术及应用发展综述[J];化工自动化及仪表;2002年03期

7 陈虹,刘志远,解小华;非线性模型预测控制的现状与问题[J];控制与决策;2001年04期

8 席裕庚,耿晓军,陈虹;预测控制性能研究的新进展[J];控制理论与应用;2000年04期

9 朱学峰;采用Hammerstein模型的非线性预测控制[J];控制理论与应用;1994年05期

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本文编号：439332