蒸發(fā)過程的非線性控制仿真研究
王永剛1，柴天佑1
1東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110004
2東北大學(xué)自動(dòng)化研究中心，遼寧沈陽110004）
摘 要：為了研究蒸發(fā)過程的非線性控制，對(duì)六效逆流蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近建立了動(dòng)態(tài)模型，并將模型轉(zhuǎn)化為仿射非線性系統(tǒng)的形式．接下來應(yīng)用mimo的glc結(jié)構(gòu)對(duì)這個(gè)非線性系統(tǒng)進(jìn)行了輸入輸出線性化，對(duì)線性化后的系統(tǒng)應(yīng)用pi控制律進(jìn)行控制，并與常規(guī)的多回路pid控制做了對(duì)比。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用輸入輸出線性化控制策略消除了回路之間的耦合，能夠更好地跟蹤系統(tǒng)的設(shè)定值，并達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
關(guān)鍵詞：蒸發(fā)過程；非線性系統(tǒng)；相對(duì)階；輸入輸出線性化；pi調(diào)節(jié)
中圖分類號(hào)：tp 18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1引 言
氧化鋁母液蒸發(fā)系統(tǒng)的控制回路較多，既有對(duì)各效液位、溫度的控制，又有對(duì)各效密度的控制，是一個(gè)典型的多變量輸入輸出的非線性系統(tǒng)。蒸發(fā)系統(tǒng)的建模主要足2種方式，一種是以物料衡算和熱量衡算為基礎(chǔ)的機(jī)理模型，另一種是利用輸入輸出數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法得到的動(dòng)態(tài)模型。而鐘對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了各種****控制策略。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用非線性模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)五效蒸發(fā)系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)[5]應(yīng)用預(yù)測(cè)控制和模糊控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)[6]應(yīng)用輸入輸出線性化實(shí)現(xiàn)了對(duì)單效蒸發(fā)系統(tǒng)的仿真并應(yīng)用到了實(shí)際的工業(yè)過程，取得了很好的控制效果。
由于蒸發(fā)過程的多變量、非線性的特點(diǎn)，使得多個(gè)回路之間有較強(qiáng)的耦合作用，單純的應(yīng)用pid控制不能達(dá)到很好的控制性能。針對(duì)多變量輸入輸出的最小相位非線性系統(tǒng)，karvaris提出了全局線性化控制結(jié)構(gòu)( clc)。隨后該方法應(yīng)用到了實(shí)際的工業(yè)過程中。本文對(duì)六效逆流蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)過程進(jìn)行非線性控制仿真研究。
2蒸發(fā)過程描述
蒸發(fā)過程的主要作用是蒸發(fā)母液中多余的水分，使其苛性堿濃度達(dá)到一定的指標(biāo)。
其工藝采用的是六效逆流蒸發(fā)流程，蒸發(fā)器選用的是降膜管式蒸發(fā)器。蒸發(fā)母液首先經(jīng)過六效蒸發(fā)器，再經(jīng)循環(huán)泵蒸發(fā)后，由過料泵打人五效蒸發(fā)器。經(jīng)過同樣的流程分別通過四效，三效，最后經(jīng)一效蒸發(fā)器排出蒸發(fā)后的堿液。
生蒸汽首先進(jìn)入一、二、三效蒸發(fā)器，一效蒸發(fā)器的二次蒸汽進(jìn)入二效，同樣二至五效的二次蒸氣分別進(jìn)入下一效蒸發(fā)器，六效的二次蒸汽進(jìn)入冷凝器，其中，三至六小的加熱蒸汽還來自四級(jí)閃蒸器的二次蒸汽，最后的強(qiáng)制混換蒸發(fā)器的二次蒸汽作為加熱蒸汽進(jìn)入六效蒸發(fā)器。
工藝流程，如圖1所示。
從蒸發(fā)工藝角度考慮要求保持蒸發(fā)器液位的恒定，同時(shí)為了保證最終堿液濃度指標(biāo)需要設(shè)定一效蒸發(fā)器的出料密度。但是由于回路之間的耦合，單純的應(yīng)用pid控制改變一效出料密度的設(shè)定值會(huì)使各效液位產(chǎn)生波動(dòng)，而且會(huì)導(dǎo)致蒸汽消耗量偏大。
3蒸發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型
由圖1中可以看出，蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝流程復(fù)雜，應(yīng)用物料衡算和熱量衡算可以分別對(duì)一效到六效的蒸發(fā)器建立其機(jī)理模型，限于篇幅本文只列出二效的機(jī)理模型。結(jié)合圖1對(duì)二效液位和密度由物料平衡可得：
式中，h為液位；q為流量；m為蒸汽流量；ρ為密度；a為蒸發(fā)器橫截面積（下同）。
對(duì)二效溫度由熱量衡算可得：
式中，λ為蒸汽的汽化潛熱，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近可近似為常數(shù)；c為溶液的比熱容，可由物料衡算計(jì)算出；m12而thf2可由熱量衡算得到，具體如下：
其中，qd2，ρhf2可由物料平衡得出：
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