多變量模型預(yù)測(cè)控制算法及應(yīng)用(開(kāi)題報(bào)告)填料塔

1、多變量模型預(yù)測(cè)控制算法及應(yīng)用（開(kāi)題報(bào)告）填料塔多變量模型預(yù)測(cè)控制算法及應(yīng)用（開(kāi)題報(bào)告） 一.實(shí)驗(yàn)裝置原理介紹及機(jī)理建模1.1實(shí)驗(yàn)裝置的基本原理本裝置的主體是一個(gè)填料塔，分為三段，共有三層塔板，用于冷水和水蒸汽在塔內(nèi)進(jìn)行熱交換。熱交換主要在塔的填料層內(nèi)進(jìn)行。水經(jīng)過(guò)泵, 調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)后，進(jìn)入填料塔頂，由噴淋裝置淋下，經(jīng)熱交換后的 水由塔底排入水槽。水蒸汽由電熱蒸汽發(fā)生器對(duì)水加熱而提供，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子 流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥后入填料塔，由塔底向上排出。蒸汽冷凝釋放熱量，使冷 水升溫。從而水和汽實(shí)現(xiàn)了熱交換。本套控制系統(tǒng)的目標(biāo)是控制填料塔某一層塔板的溫度為定值，或按某 一規(guī)律變化。系統(tǒng)的主要控制手段有：調(diào)節(jié)水

2、流量和蒸汽流量，從而控制水汽熱交換，達(dá)到控制目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖如下圖所示。各部分功能為：填料塔用于水汽熱交換；電熱器用于產(chǎn)生蒸汽；調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)水，汽的流量及加入干擾;轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測(cè)量水，汽的流量。電磁閥用于控制水的通斷。1.2實(shí)驗(yàn)的控制原理對(duì)填料塔塔板上溫度調(diào)節(jié)的影響因素有：1 進(jìn)水流量冰流量增大'換熱時(shí)間減短，塔板溫度降低水流量減小，換 熱時(shí)間長(zhǎng)，塔板溫度升高.2 蒸汽流量:蒸汽流量大，傳熱量大,溫度上升快;蒸汽流量小/專熱量小， 溫度下降蒸汽流量受蒸汽進(jìn)氣閥前后壓力影響若電熱器壓力穩(wěn)定，則流量 僅與閥門開(kāi)啟度有關(guān)，可選取線性調(diào)節(jié)閥，使兩者成比例關(guān)系若調(diào)節(jié)閥前后 壓力有波動(dòng)

3、，則必須采取穩(wěn)壓措施.3. 進(jìn)水溫度:入水溫度高,塔板溫度高;入水溫度低,塔板溫度低.4. 蒸汽溫度:蒸汽由電加熱器對(duì)水進(jìn)行加熱產(chǎn)生定壓下飽和蒸汽溫度 恒定,對(duì)操作不構(gòu)成干擾.5. 環(huán)境溫度:影響較小，干擾可不計(jì).由上可見(jiàn),水流量，蒸汽流量和進(jìn)水溫度的變動(dòng)是主耍影響，故選取前兩 個(gè)因素作為控制變量，進(jìn)水溫度作為干擾量.控制手段：21. 控制進(jìn)水流量塔板溫度通過(guò)測(cè)溫?zé)犭娮柙z測(cè)，當(dāng)溫度變化時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)溫度變 送器，使溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)操縱進(jìn)水管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大或關(guān)小 閥門，用控制冷水流量來(lái)達(dá)到控制塔板溫度的目標(biāo).2. 控制蒸汽流量塔板溫度通過(guò)測(cè)溫?zé)犭娮柙z測(cè)，當(dāng)溫度變化時(shí)'輸

4、出信號(hào)經(jīng)溫度變 送器/吏溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)操縱蒸汽管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大或關(guān)小 閥門，用控制蒸汽流量來(lái)達(dá)到控制塔板溫度的目標(biāo).3. 控制進(jìn)水溫度可采用岀水部分循環(huán)的方法出水處溫度升高的熱水在泵前與總管流 入的冷水混合，然后輸送到塔頂入口處,噴入填料塔屮電磁閥安裝在熱水管 道上閥門關(guān)閉,填料塔塔頂入水溫度降低;反之升高這樣，就可用控制熱水 流量的方法來(lái)控制進(jìn)水溫度，給控制系統(tǒng)加入擾動(dòng).帶控制點(diǎn)的工藝流程圖如下圖所示本系統(tǒng)可采用分程控制因?yàn)榭刂?系統(tǒng)的目標(biāo)是控制填料塔某一層塔板的溫度為定值或按某一規(guī)律變化，即 選取三層塔板溫度t1,t2或t3中的任一個(gè)作為被控變量而如前面所分析 的,系統(tǒng)的控制變

5、量為進(jìn)水流量vi和蒸汽流量v汽所以這是一個(gè)兩輸入單 輸岀過(guò)程的控制系統(tǒng)，即用一個(gè)控制器來(lái)操縱兩個(gè)閥門，因此可采用分程控 制的控制方案，按輸出信號(hào)的不同區(qū)間去操縱不同閥門根據(jù)工藝耍求，當(dāng)塔 板溫度偏高時(shí)，應(yīng)當(dāng)先關(guān)小蒸汽再開(kāi)大冷水，令溫度控制器為反作用,溫度升 高時(shí)其輸出信號(hào)下降故要求在信號(hào)下降時(shí)先關(guān)小蒸汽再開(kāi)人冷水,即蒸汽 閥的分程區(qū)間在高信號(hào)區(qū)，冷水閥的分程區(qū)間在低信號(hào)區(qū).系統(tǒng)的工作過(guò)程如下:當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行吋，起始溫度低于設(shè)定值,反作用 的溫度控制器輸出信號(hào)將增大，使蒸汽閥開(kāi)度變大，蒸汽流量增大，使塔板溫 度升高;當(dāng)塔板溫度升高到超過(guò)設(shè)定值后,控制器輸出信號(hào)下降，漸漸關(guān)閉蒸 汽閥，接著使冷水閥

6、開(kāi)度增大，水流量增大，使塔板溫度下降從而能把其溫 度控制在設(shè)定值上.1.3控制系統(tǒng)的機(jī)理建?？刂谱兞浚哼M(jìn)水流量vi,蒸汽流量v汽；被控變量：某一層塔板上的溫度t1,t2或t3;干擾：進(jìn)水溫度ti系統(tǒng)熱量衡算(忽略出口氣休的質(zhì)量'熱損失不計(jì))：第一層塔板3帶控制點(diǎn)的填料塔熱交換流量控制系統(tǒng)工藝流程圖4hl?cptl,cp 為水的比熱(kj/kg?k)有 h1?mihi?mlhsmi?ml由于填料塔均分為三段，故ml可近似為l/3m汽m汽為進(jìn)入填料塔的蒸汽流量得t水cpvti?l/3?汽hsv汽1?cvp(?水 i?l/3?汽 v 汽)t1為第層塔板溫度；?水為水的密度(kg/m3);v3

7、i為進(jìn)水體積流量(m/s);t?i為進(jìn)水溫度(c);?汽為蒸汽密度(kg/m3);v3汽為進(jìn)入填料塔的蒸汽體積流量(m/s)第二層塔板m2為進(jìn)入第二(mi?ml)hl?m2hs?(mi?m2)h2?mlhs(l)+(3)?hmihi?m2hs2?m,i?m2m2近似為2/3m汽得t?汽 cpviti?2/3?汽 hsv 汽2?c?p(水 vi?2/3?汽 v 汽)t2為第二層塔板溫度第三層塔板(mi?m2)h2?m 汽 hs?(mi?m 汽)h3?m2hs(3)(4)(5)5h3?cpt3(l)+(3)+(5)?h3?mihi?m 汽 hsmi?m 汽t3?水 cpviti?汽 hsv 汽(6)cp(?* vi?汽 v 汽)t3為第三層塔板溫度以上,(6)三式為基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)方程.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性： 熱平衡方程(mi?ml)cp 即(?水 vi?l/3?汽 v 汽)cpdtl?mihi?mlhs?(mi?ml)hl(刀 dtdtl?水 cpviti?l/3?汽 hsv 汽?(?水 vi? 1/3?汽 v 汽)cptldtdtl?(?水 vi?l/3?汽 v 汽)cptl?水 cpviti?l/3?汽 hsv 汽 cp ?dt?水 vi?l/3?汽 v 汽線性化，得dtl?fl?dt?tlo?t1?fl?vi