精馏塔的模糊解耦控制研究

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精馏塔是许多化工生产过程的一个重要单元,精馏塔的控制对生产均衡、能量消耗及产品质量均有很大影响。酒精的精馏过程是一个强耦合过程。塔顶回流量控制顶部塔板温度和塔底再沸器加热量控制底部塔板温度的两个控制环节相互耦合,若用两个独立的温度控制环节控制易造成系统不稳定,调节频繁,从而产出的产品质量不高,浪费能源。通过解耦可以消除两控制环节之间的耦合关系,使它们成为彼此独立的控制回路。传统解耦控制方法需要被控对象精确的数学模型,而精馏塔精确模型的建立决非易事。模糊解耦控制摆脱了数学模型的束缚,是解耦控制的一条新途径。本文基于筛板式酒精精馏塔实验装置,提出对筛板式酒精精馏塔的模糊解耦控制方案。通过对精馏塔塔顶和塔底两个耦合环节进行模糊解耦控制来实现酒精精馏过程的高效率、低能耗,提高产品纯度,增加经济效益。   本文首先对酒精精馏过程和精馏塔设备进行了概述,同时也简要地介绍了模糊控制理论、解耦控制理论和模糊解耦控制理论在国内外的研究现状。   其次,本文针对酒精精馏塔塔顶和塔底两个温度控制环节,详细介绍了基于MATLAB的模糊解耦控制器的设计与实现方法。给出控制器的模糊控制环节和解耦环节详细的设计步骤。由于控制系统各回路的通信用到DDE技术,结合本课题的应用,论文对DDE技术也进行了阐述。另外,由于实际工业控制现场的工控机不便安装MATLAB此类大型软件,本文还介绍了如何将模糊解耦控制的M文件程序通过编译和发布转换成能够在没有安装MATLAB的目标计算机上独立运行的可执行程序。由于模糊解耦控制器的许多参数需要运行设备时在线调整获得,本文还介绍了用Simulink搭建模糊解耦控制器,在线调整参数观察试验结果的方法。   在工业控制中,可编程逻辑控制器(PLC)的应用极其广泛,如果把模糊解耦控制技术与PLC结合起来,利用PLC实现模糊解耦控制,将会使模糊解耦控制在工业控制中发挥更大的作用。虽然现在已经有一些PLC生产厂家提供模糊控制模块供用户选用,但其价格比较昂贵。因此,本文提出了基于西门子STEP7软件编程实现模糊解耦控制的方法。在原控制系统硬件基础上,利用软件编写STL程序实现控制器,并应用于筛板式酒精精馏塔实验装置。编写PLC的模糊解耦控制程序需要用到由模糊推理得到模糊查询表,利用PLC的间接寻址方式查询这个表得到控制量,本文对此都做了详细的阐述。   本文设计的基于MATLAB的模糊解耦控制器和基于STEP7编程的模糊解耦控制器均投运于筛板式酒精精馏塔实验装置,并将其与传统的两个独立PID控制回路控制精馏塔塔顶和塔底温度的效果相对比。试验结果表明基于MATLAB的模糊解耦控制器和基于STEP7编程的模糊解耦控制器在控制效果,产品质量和能耗方面与传统的PID控制相比都具有较大优势。
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