流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)的建設(shè)畢業(yè)論文(doc 65頁)

1、作者：/u/2562182793畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目:流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)的建設(shè) 學(xué) 院: 專 業(yè): * 班 級(jí): * 姓 名: * 指導(dǎo)老師: * 起訖日期: 2009-03-012009-06-10 2010 年 06 月 V流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)的建設(shè)摘 要隨著現(xiàn)代流程工業(yè)日趨大型化、復(fù)雜化和自動(dòng)化、系統(tǒng)的模型化與仿真已成為過程系統(tǒng)工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，并成為進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)定、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)預(yù)測(cè)分析、決策支持優(yōu)化，以及員工培訓(xùn)等活動(dòng)不可或缺的一門技術(shù)。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，更是推動(dòng)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用。本文首先設(shè)計(jì)了流程模擬系統(tǒng)，開發(fā)了三個(gè)流程模擬實(shí)驗(yàn)：基于Aspe

2、n的精餾分離靜態(tài)模擬、動(dòng)態(tài)模擬，Simulink建立的CSTR（連續(xù)攪拌反應(yīng)）實(shí)時(shí)仿真和乙醇發(fā)酵仿真。然后將流程模擬系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫Oracle，最后利用ASP.NET技術(shù)開發(fā)了基于瀏覽器/服務(wù)器模式的數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，通過ADO.NET接口技術(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫在Web頁面上生成流程模擬各裝置的相關(guān)參數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)，建立起流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)。關(guān)鍵詞 : 流程模擬 流程工業(yè)The Building of Process Industry Automation Simulation PlatformAbstractWith the increasing enlargement,

3、 complication and automation of t modern process industry, system modeling and simulation has become an important research area of process systems engineering and an essential technology for equipment parameter settings, control system design, production and forecasting analysis, decision support op

4、timization as well as staff training and other activities .The continuous development of computer technology promote the wider use of simulation technology.The process simulation system consists of three process simulation experiments: the static and dynamic simulation of Distillation based on the A

5、spen software, the Real-Time Simulation of CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) and the ethanol fermentation simulation established on Simulink .The process simulation system simulation data are stored in the back-end database Oracle. The data exhibition system is developed based on browser / serv

6、er model with ASP.NET technology and it calls the Oracle database storage to generate various device parameters of the process simulation and the whole system simulation data on the Web page. The integrated process industry automation simulation platform is established after these steps.Key Words: P

7、rocess Simulation; Distillation; CSTR; Ethanol Fermentation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc60698551 摘 要 PAGEREF _Toc60698551 h I HYPERLINK l _Toc60698552 Abstract PAGEREF _Toc60698552 h II HYPERLINK l _Toc60698553 第一章 緒論 PAGEREF _Toc60698553 h 1 HYPERLINK l _Toc60698554 1.1 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化 PAGEREF _To

8、c60698554 h 1 HYPERLINK l _Toc60698555 1.1.1 流程工業(yè)的重要地位 PAGEREF _Toc60698555 h 1 HYPERLINK l _Toc60698556 1.1.2 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc60698556 h 1 HYPERLINK l _Toc60698557 1.2 流程模擬仿真平臺(tái) PAGEREF _Toc60698557 h 3 HYPERLINK l _Toc60698558 1.2.1 流程模擬技術(shù) PAGEREF _Toc60698558 h 3 HYPERLINK l _Toc606985

9、59 1.2.2 穩(wěn)態(tài)仿真 PAGEREF _Toc60698559 h 3 HYPERLINK l _Toc60698560 1.2.3 動(dòng)態(tài)仿真 PAGEREF _Toc60698560 h 4 HYPERLINK l _Toc60698561 1.3 本文主要內(nèi)容與目標(biāo) PAGEREF _Toc60698561 h 4 HYPERLINK l _Toc60698562 1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc60698562 h 5 HYPERLINK l _Toc60698563 第二章 精餾分離模擬 PAGEREF _Toc60698563 h 6 HYPERLINK l _T

10、oc60698564 2.1 Apsen Plus進(jìn)行精餾分離靜態(tài)模擬 PAGEREF _Toc60698564 h 6 HYPERLINK l _Toc60698565 2.1.1 RadFrac（嚴(yán)格法精餾）單元操作模塊 PAGEREF _Toc60698565 h 6 HYPERLINK l _Toc60698566 2.1.2 精餾分離模型定義 PAGEREF _Toc60698566 h 6 HYPERLINK l _Toc60698567 2.1.3 Aspen Plus建立精餾分離模型 PAGEREF _Toc60698567 h 7 HYPERLINK l _Toc606985

11、68 2.1.4 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc60698568 h 8 HYPERLINK l _Toc60698569 2.2 精餾分離模型添加動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698569 h 11 HYPERLINK l _Toc60698570 2.3 Apsen Dynamics進(jìn)行精餾分離動(dòng)態(tài)仿真 PAGEREF _Toc60698570 h 12 HYPERLINK l _Toc60698571 2.3.1 PID控制 PAGEREF _Toc60698571 h 12 HYPERLINK l _Toc60698572 2.3.2 設(shè)置PID控制器 PAGEREF

12、_Toc60698572 h 13 HYPERLINK l _Toc60698573 2.3.3 Aspen Dynamics進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真 PAGEREF _Toc60698573 h 14 HYPERLINK l _Toc60698574 第三章 CSTR模擬 PAGEREF _Toc60698574 h 16 HYPERLINK l _Toc60698575 3.1 CSTR模型 PAGEREF _Toc60698575 h 16 HYPERLINK l _Toc60698576 3.1.1 CSTR 簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc60698576 h 16 HYPERLINK l _To

13、c60698577 3.1.2 CSTR仿真模型 PAGEREF _Toc60698577 h 17 HYPERLINK l _Toc60698578 3.1.3 CSTR仿真模型參數(shù) PAGEREF _Toc60698578 h 17 HYPERLINK l _Toc60698579 3.2 CSTR模型的建立與仿真 PAGEREF _Toc60698579 h 19 HYPERLINK l _Toc60698580 3.2.1 Simulink簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc60698580 h 19 HYPERLINK l _Toc60698581 3.2.2 使用Simulink建立仿真

14、模型 PAGEREF _Toc60698581 h 20 HYPERLINK l _Toc60698582 3.2.3 Simulink仿真CSTR結(jié)果 PAGEREF _Toc60698582 h 22 HYPERLINK l _Toc60698583 3.3 模擬結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫 PAGEREF _Toc60698583 h 24 HYPERLINK l _Toc60698584 3.3.1 Matlab里的S_function PAGEREF _Toc60698584 h 24 HYPERLINK l _Toc60698585 3.3.2使用S_function將仿真結(jié)果存入Oracle數(shù)

15、據(jù)庫 PAGEREF _Toc60698585 h 24 HYPERLINK l _Toc60698586 第四章 乙醇發(fā)酵模擬 PAGEREF _Toc60698586 h 27 HYPERLINK l _Toc60698587 4.1 乙醇發(fā)酵 PAGEREF _Toc60698587 h 27 HYPERLINK l _Toc60698588 4.1.1 工業(yè)乙醇發(fā)酵方法 PAGEREF _Toc60698588 h 27 HYPERLINK l _Toc60698589 4.1.2 工業(yè)發(fā)酵流程 PAGEREF _Toc60698589 h 27 HYPERLINK l _Toc606

16、98590 4.1.3 乙醇發(fā)酵工藝 PAGEREF _Toc60698590 h 28 HYPERLINK l _Toc60698591 4.2 乙醇發(fā)酵模型 PAGEREF _Toc60698591 h 28 HYPERLINK l _Toc60698592 4.3 乙醇發(fā)酵模塊模型的建立與仿真 PAGEREF _Toc60698592 h 32 HYPERLINK l _Toc60698593 4.3.1單罐仿真 PAGEREF _Toc60698593 h 32 HYPERLINK l _Toc60698594 4.3.2系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc60698594 h 32 H

17、YPERLINK l _Toc60698595 4.4 模擬結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫 PAGEREF _Toc60698595 h 34 HYPERLINK l _Toc60698596 第五章 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) PAGEREF _Toc60698596 h 35 HYPERLINK l _Toc60698597 5.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù) PAGEREF _Toc60698597 h 35 HYPERLINK l _Toc60698598 5.1.1 數(shù)據(jù)庫的基本概念 PAGEREF _Toc60698598 h 35 HYPERLINK l _Toc60698599 5.1.2 Oracle數(shù)據(jù)庫 PAGERE

18、F _Toc60698599 h 35 HYPERLINK l _Toc60698600 5.2 Oracle的創(chuàng)建與配置 PAGEREF _Toc60698600 h 36 HYPERLINK l _Toc60698601 5.2.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 PAGEREF _Toc60698601 h 36 HYPERLINK l _Toc60698602 5.2.2 配置數(shù)據(jù)庫連接 PAGEREF _Toc60698602 h 37 HYPERLINK l _Toc60698603 5.3存儲(chǔ)流程模擬數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698603 h 38 HYPERLINK l _Toc60698

19、604 5.3.1 精餾分離平臺(tái)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698604 h 38 HYPERLINK l _Toc60698605 5.3.2 CSTR仿真平臺(tái)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698605 h 39 HYPERLINK l _Toc60698606 5.3.2 乙醇發(fā)酵平臺(tái)數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698606 h 40 HYPERLINK l _Toc60698607 第六章 數(shù)據(jù)展示系統(tǒng) PAGEREF _Toc60698607 h 41 HYPERLINK l _Toc60698608 6.1 數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)原理 PAGEREF _Toc60698608

20、h 41 HYPERLINK l _Toc60698609 6.1.1 瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu) PAGEREF _Toc60698609 h 41 HYPERLINK l _Toc60698610 6.1.2 ASP.NET及其開發(fā)環(huán)境Visual Studio PAGEREF _Toc60698610 h 41 HYPERLINK l _Toc60698611 6.1.3 C#語言 PAGEREF _Toc60698611 h 42 HYPERLINK l _Toc60698612 6.1.4 IIS的配置 PAGEREF _Toc60698612 h 42 HYPERLINK l _Toc60

21、698613 6.2 ASP.NET連接Oracle數(shù)據(jù)庫 PAGEREF _Toc60698613 h 43 HYPERLINK l _Toc60698614 6.2.1 ADO.NET接口技術(shù) PAGEREF _Toc60698614 h 43 HYPERLINK l _Toc60698615 6.2.2 連接Oracle數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc60698615 h 44 HYPERLINK l _Toc60698616 6.3 數(shù)據(jù)表格和曲線圖的制作 PAGEREF _Toc60698616 h 45 HYPERLINK l _Toc60698617 6.3.1 使用GridVie

22、w控件制作表格 PAGEREF _Toc60698617 h 45 HYPERLINK l _Toc60698618 6.3.2 使用MsChart控件制作曲線圖 PAGEREF _Toc60698618 h 47 HYPERLINK l _Toc60698619 6.4 數(shù)據(jù)展示頁面的制作 PAGEREF _Toc60698619 h 49 HYPERLINK l _Toc60698620 6.4.1 登錄頁面Login.htm PAGEREF _Toc60698620 h 49 HYPERLINK l _Toc60698621 6.4.2 登錄驗(yàn)證頁Change.aspx PAGEREF

23、_Toc60698621 h 50 HYPERLINK l _Toc60698622 6.4.3 主頁面Main.aspx PAGEREF _Toc60698622 h 50 HYPERLINK l _Toc60698623 6.4.4 數(shù)據(jù)展示頁面 PAGEREF _Toc60698623 h 52 HYPERLINK l _Toc60698624 第七章 總結(jié)和展望 PAGEREF _Toc60698624 h 55 HYPERLINK l _Toc60698625 7.1 總結(jié) PAGEREF _Toc60698625 h 55 HYPERLINK l _Toc60698626 7.2

24、展望 PAGEREF _Toc60698626 h 55 HYPERLINK l _Toc60698627 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc60698627 h 56 HYPERLINK l _Toc60698628 致謝 PAGEREF _Toc60698628 h 57第一章 緒論南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PAGE 57第一章 緒論1.1 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化1.1.1 流程工業(yè)的重要地位流程工業(yè)是指在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要經(jīng)濟(jì)地位的石化、煉油、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力等工業(yè)行業(yè)。這些行業(yè)普遍存在能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)過程工藝落后、自動(dòng)化水平低、管理

25、水平低、信息集成度低、綜合競(jìng)爭(zhēng)力弱等現(xiàn)狀。流程工業(yè)是一個(gè)非常巨大的產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中極為重要的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，是制造業(yè)的重要組成部分。其特點(diǎn)是以處理連續(xù)或間歇物料流、能量流為主，產(chǎn)品多以大批量的形式生產(chǎn)。流程工業(yè)的生產(chǎn)和加工方法主要有化學(xué)反應(yīng)、分離、混合等等，這些都與離散制造工業(yè)有顯著不同。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的21世紀(jì)，作為傳統(tǒng)工業(yè)的流程工業(yè)將仍然是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)2003年估計(jì)全球流程工業(yè)的年產(chǎn)值超過5萬億美元，其中僅化工和石油化工部分就超過1萬2千億美元。根據(jù)2005年中國統(tǒng)計(jì)年鑒，2004年按行業(yè)分國有及國有控股企業(yè)中，工業(yè)總產(chǎn)值35571.18億元，工業(yè)

26、增加值12132.41億元。其中典型的流程工業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值共計(jì)23396.53億元，占總產(chǎn)值的65.77%，工業(yè)增加值8 810.18億元，占總量的72.62%。從我國2005年工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，工業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)增加值等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，石油和化學(xué)工業(yè)均居全國第1位，其實(shí)現(xiàn)利潤占全國工業(yè)利潤的25.45%；冶金工業(yè)居全國第2位；電力工業(yè)居第3位。我國22家骨干企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)約占1/3；在71家重點(diǎn)企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)約占1/2。在2000年全球500強(qiáng)的行業(yè)中，中國石油化工集團(tuán)公司居58位、中國國家電力公司居83位、中國化工進(jìn)出口總公司居307位。由此可見，流程工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。

27、1.1.2 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，流程工業(yè)控制中出現(xiàn)了多學(xué)科間的相互滲透與交叉，信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合使過程控制開始突破自動(dòng)化孤島模式，出現(xiàn)了集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營于一體的綜合自動(dòng)化新模式。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的研究已成為自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。國外大型流程企業(yè)、特別是石油化工企業(yè)均重視信息集成技術(shù)的應(yīng)用，紛紛以極大的熱情和精力，構(gòu)架工廠級(jí)、公司級(jí)甚至超公司級(jí)的信息集成系統(tǒng)。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業(yè)在

28、實(shí)施CIMS計(jì)劃，推動(dòng)了流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，如日本三井石油化學(xué)工業(yè)公司、美國德曹達(dá)公司、高爾公司等化工企業(yè)都相繼建立了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。意大利AGIP石油公司提出了以數(shù)據(jù)模型為核心的工廠信息集成系統(tǒng)的方案，信息采集從低層到上層，從供應(yīng)鏈的源頭到產(chǎn)品的客戶。他以面向數(shù)據(jù)的模型為核心系統(tǒng)，連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行過程監(jiān)視、控制和診斷，環(huán)境監(jiān)測(cè)，單元整合，模擬和優(yōu)化。在管理決策層進(jìn)行物料平衡、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、排產(chǎn)、企業(yè)資源計(jì)劃、離線在線模擬與優(yōu)化等。目前國外實(shí)施綜合自動(dòng)化技術(shù)的大型流程工業(yè)企業(yè)已占很大比例。另一方面，國外已有許多傳統(tǒng)的自動(dòng)化儀器儀表廠家逐步向綜合

29、自動(dòng)化整體解決方案供應(yīng)商轉(zhuǎn)化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出eManufacturingTM解決方案；ABB公司提出基于MES（生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)）的綜合自動(dòng)化解決方案，開發(fā)相應(yīng)的工業(yè)IT；AspenTech和Honeywell這兩家大公司都已不再局限于過程自動(dòng)化軟件與軟件領(lǐng)域，而是在其中下層自動(dòng)化軟硬件優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上分別提出了面向企業(yè)整體的解決方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件

30、，以及提出了智能化工廠的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油與天然氣、制漿造紙、化工、煉油工業(yè)的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。我國經(jīng)過20年的研究和攻關(guān)，在流程工業(yè)綜合自動(dòng)化領(lǐng)域已積累了大量的科研成果，特別是在“九五”計(jì)劃期間，產(chǎn)生了大批具有產(chǎn)業(yè)化前景的高技術(shù)成果和產(chǎn)品，如集散控制系統(tǒng)（DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、先進(jìn)控制軟件、實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件、過程管理與優(yōu)化軟件、企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件等。已縮短了與國際先進(jìn)水平的差距，部分成果達(dá)到國

31、際先進(jìn)水平，并廣泛應(yīng)用于國內(nèi)眾多石化、化工、醫(yī)藥、冶金、建材/輕工等流程企業(yè)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在以信息化帶動(dòng)工業(yè)化的進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用。 但總體而言，我國在流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)與系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化過程中同國外先進(jìn)技術(shù)相比還存在很大的差距，主要體現(xiàn)在技術(shù)深度上不夠、應(yīng)用基礎(chǔ)研究不夠、相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)借用不夠、系統(tǒng)化程度不夠、集成能力不夠、產(chǎn)品化程度不夠、產(chǎn)業(yè)化能力不強(qiáng)等諸多方面。1.2 流程模擬仿真平臺(tái)隨著現(xiàn)代流程工業(yè)日趨大型化、復(fù)雜化和自動(dòng)化，系統(tǒng)的模型化與仿真已成為過程系統(tǒng)工程領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，并成為進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)定、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)預(yù)測(cè)分析、決策支持優(yōu)化，以及員工培訓(xùn)

32、等活動(dòng)不可或缺的一門技術(shù)。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，更是推動(dòng)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在,企業(yè)迫切需要通過仿真技術(shù)來提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力，能否有效應(yīng)用仿真，將成為決定企業(yè)成敗的關(guān)鍵因素之一 。流程模擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬真實(shí)工廠物料流程和數(shù)據(jù)集成過程。用戶可方便地進(jìn)行組態(tài)、建立裝置物料平衡機(jī)理模型等。仿真數(shù)據(jù)可與各種數(shù)據(jù)庫連接，用戶可方便查詢調(diào)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)、查看生產(chǎn)報(bào)表、切換生產(chǎn)方案，進(jìn)而為數(shù)據(jù)校正、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)質(zhì)量管理和成本控制等應(yīng)用軟件的開發(fā)和實(shí)施提供理想的平臺(tái)。1.2.1 流程模擬技術(shù)流程模擬技術(shù)是近幾十年來發(fā)展起來的,它涉及到流程系統(tǒng)、控制儀表、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)算法等多項(xiàng)技術(shù)，是一門交叉

33、性、綜合性學(xué)科，有著廣泛的應(yīng)用。 一些過程控制算法就可以利用流程模擬技術(shù)獲得較為完備的數(shù)據(jù),應(yīng)用這一技術(shù)，可以模擬不同工藝條件下的生產(chǎn)結(jié)果. 調(diào)度人員可利用這些產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在流程工藝的基礎(chǔ)上確定最佳方案，也可以將這些數(shù)據(jù)作為理論研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用，而無需破壞生產(chǎn)的連續(xù)性，節(jié)省了大量的人力、物力。流程模擬分為穩(wěn)態(tài)模擬/仿真和動(dòng)態(tài)模擬/仿真兩大類。 1.2.2 穩(wěn)態(tài)仿真 化工過程穩(wěn)態(tài)仿真又稱靜態(tài)模擬或離線模擬，它是根據(jù)化工過程的靜態(tài)數(shù)據(jù)，諸如物料的壓力、溫度、流、組成和有關(guān)的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設(shè)備參數(shù)，如蒸餾塔的板數(shù)、進(jìn)料位等，采用適當(dāng)?shù)钠鍞M軟件，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際的

34、穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程，得出詳細(xì)的物料平衡和熱平衡。其中包括人們最為關(guān)心的原材料消耗、公用工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)和質(zhì)最等重要數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)言之，化工過程模擬就是在計(jì)算機(jī)上“再現(xiàn)” 實(shí)際的生產(chǎn)過程。 穩(wěn)態(tài)仿真描述的過程對(duì)象不包括時(shí)間參數(shù)，過程中的各因素不隨時(shí)間而改變，所以穩(wěn)態(tài)仿真只是動(dòng)態(tài)過程達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的簡(jiǎn)化處理，它通過一系列物熱衡算，為動(dòng)態(tài)仿真提供初值和起始狀態(tài)，同時(shí)還是過程綜合和優(yōu)化的基礎(chǔ)。利用過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真主要解決以下三類問題：(1) 過程系統(tǒng)的模擬分析。對(duì)給定過程系統(tǒng)進(jìn)行模擬求解,得到需要的系統(tǒng)狀態(tài)變量，使得對(duì)該過程進(jìn)行分析和驗(yàn)證成為可能 。這類穩(wěn)態(tài)仿真應(yīng)用化工過程的動(dòng)態(tài)仿真具有一定的指導(dǎo)作用

35、。(2) 過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)某個(gè)或某些系統(tǒng)變量提出設(shè)計(jì)規(guī)定要求，通過調(diào)整某些決策變量使模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)定要求。這類仿真主要用于新裝置的設(shè)計(jì)、舊裝置的改造和新工藝新流程的開發(fā)研究。(3) 過程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。過程系統(tǒng)模型與最優(yōu)化模型聯(lián)立求解，得到一組使工況目標(biāo)函數(shù)最佳的決策變量(優(yōu)化變量)，以便實(shí)施最佳工況。與過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造不同，這里的優(yōu)化不通過修改工藝或增加生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行，而是通過調(diào)整工藝操作條件來實(shí)現(xiàn)。通常將穩(wěn)態(tài)模擬軟件和優(yōu)化軟件結(jié)合，對(duì)過程操作變量進(jìn)行優(yōu)化。1.2.3 動(dòng)態(tài)仿真動(dòng)態(tài)仿真比穩(wěn)態(tài)仿真更能反映真實(shí)的生產(chǎn)情況,其主要功能是把該裝置的內(nèi)部生產(chǎn)流程及機(jī)理模擬出來，同時(shí)反映裝置的控

36、制和操作條件，盡量模擬與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相近的生產(chǎn)條件及操作條件。穩(wěn)態(tài)仿真只是動(dòng)態(tài)過程達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的簡(jiǎn)化處理，然而化工穩(wěn)態(tài)過程只是相對(duì)且暫時(shí)的，實(shí)際過程中總是存在各種各樣的波動(dòng)、干擾和條件的變化,因此化工過程的動(dòng)態(tài)變化是必然的，如開停車、故障處理等。在研究這類動(dòng)態(tài)問題時(shí),必須使用動(dòng)態(tài)仿真。動(dòng)態(tài)仿真中的動(dòng)態(tài)模型由一系列微分方程組成，能真實(shí)地對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬，為生產(chǎn)制造企業(yè)進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障處理策略設(shè)計(jì)等提供了有效的工具。利用動(dòng)態(tài)仿真可以解決很多生產(chǎn)實(shí)際問題：(1) 過程系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)。完成生產(chǎn)方案選擇、生產(chǎn)參數(shù)確定等工藝設(shè)計(jì)問題，使過程系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài) 。(2) 過程系統(tǒng)的

37、控制器設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)仿真軟件接收控制器生成的控制量，得到被控對(duì)象動(dòng)態(tài)模型實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出，根據(jù)該動(dòng)態(tài)模型的輸入輸出關(guān)系,設(shè)計(jì)合理的控制器 。(3) 過程系統(tǒng)的安全分析和預(yù)測(cè)。對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析和預(yù)測(cè)過程系統(tǒng)的安全狀況 。1.3 本文主要內(nèi)容與目標(biāo)本文為了設(shè)計(jì)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)，開發(fā)了三個(gè)分系統(tǒng)：流程模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。流程模擬系統(tǒng)建立了三個(gè)流程模擬實(shí)驗(yàn)：基于Aspen Plus的精餾分離靜態(tài)模擬、基于Aspen Dynamics的精餾分離動(dòng)態(tài)模擬；Simulink建立的CSTR（連續(xù)攪拌反應(yīng)）實(shí)時(shí)仿真；Simulink建立的乙醇發(fā)酵仿真?；陉P(guān)系

38、數(shù)據(jù)庫Oracle的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)通過建立多張數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)流程模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)、仿真參數(shù)和仿真結(jié)果。最后利用ASP.NET技術(shù)開發(fā)了基于瀏覽器/服務(wù)器模式的數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，它通過ADO.NET接口技術(shù)調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫Oracle的相關(guān)數(shù)據(jù)在Web頁面上生成流程模擬各裝置的相關(guān)參數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)。本文的主要目標(biāo)是順利完成流程模擬系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，得到仿真結(jié)果通過相應(yīng)的接口技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)展示所有流程模擬仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息。本文的研究對(duì)于流程工業(yè)綜合自動(dòng)化技術(shù)有一定的指導(dǎo)意義，流程模擬系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，并得到實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中集成的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可供流程

39、工業(yè)企業(yè)深層次的挖掘和分析，為其生產(chǎn)運(yùn)行、成本核算、物料跟蹤、和生產(chǎn)調(diào)度等業(yè)務(wù)過程的改進(jìn)提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)的開發(fā)使得客戶可以在遠(yuǎn)程使用瀏覽器訪問服務(wù)器端了解現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)相關(guān)信息，為其遠(yuǎn)程操作、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集等活動(dòng)提供基礎(chǔ)。1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)由三個(gè)分系統(tǒng)和三種數(shù)據(jù)接口構(gòu)成，圖1-1所示為系統(tǒng)框圖。三個(gè)系統(tǒng)自底層向上分別為流程模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。流程模擬系統(tǒng)中Aspen軟件通過Microsoft自動(dòng)控制接口連接Oracle數(shù)據(jù)庫，Simulink通過Matlab提供的系統(tǒng)函數(shù)（S_function）將仿真數(shù)據(jù)存入Oracle數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)

40、中ASP.NET使用其數(shù)據(jù)庫接口ADO.NET技術(shù)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫Oracle中調(diào)用底層模擬系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過Web頁面展示數(shù)據(jù)。 SKIPIF 1 0 圖1-1 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化仿真平臺(tái)系統(tǒng)框圖第二章 精餾分離模擬第二章 精餾分離模擬2.1 Apsen Plus進(jìn)行精餾分離靜態(tài)模擬2.1.1 RadFrac（嚴(yán)格法精餾）單元操作模塊RadFrac（嚴(yán)格法精餾） 是一個(gè)嚴(yán)格模型用于模擬所有類型的多級(jí)氣-液精餾操作這些操作包括：一般精餾、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸餾。RadFrac 適用于兩相蒸餾體系、三相蒸餾體系、窄沸程和寬沸程體系、液相具有非理想性強(qiáng)的體系。在塔的任何地方R

41、adFrac 可以檢測(cè)和處理游離水相或其它第二液相RadFrac 可在每級(jí)上處理固體。一個(gè)典型的精餾模型如圖2-1所示。圖2-1 典型的精餾模型圖左邊的輸入流股FEED為進(jìn)料物料流，要求至少一股。右上角輸出流股DISTILL為塔頂冷凝器產(chǎn)物，也是最終的精餾產(chǎn)物。右下角輸出流股BOTTOMS是塔底再沸器產(chǎn)物。2.1.2 精餾分離模型定義1模型：如圖2-2所示圖2-2 甲基環(huán)乙烷（MCH）精餾分離模型圖2工藝說明：（1）甲基環(huán)乙烷（Methylcyclohexane，簡(jiǎn)寫為MCH，沸點(diǎn)213.681 F）和甲苯（toluene，沸點(diǎn)231.134 F）沸點(diǎn)非常接近，通過簡(jiǎn)單的二元精餾難以將它們分離

42、（2）使用苯酚（phenol，沸點(diǎn)359.312 F）作為萃取劑來萃取甲苯，從而在塔頂獲得純度較高的甲基環(huán)乙烷3任務(wù)：（1）利用已有的塔從MCH和toluene的混合物料中回收MCH（2）通過增大萃取劑的流量來提高塔頂MCH產(chǎn)品的純度（3）在給定的萃取劑流量下，計(jì)算產(chǎn)品純度、塔的流量和組成分布以及塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負(fù)荷2.1.3 Aspen Plus建立精餾分離模型根據(jù)2.1.2中甲基環(huán)乙烷回收塔模型的模型定義建立該模型的仿真，具體步驟如下：1定義流程圖。選擇單元操作模型庫中的RadFrac模型，連接萃取劑物流、進(jìn)料物流、塔頂產(chǎn)品物流以及塔底產(chǎn)品物流，完成流程圖的繪制，如圖2-3所示。

43、圖2-3 精餾靜態(tài)模擬流程圖2Setup選項(xiàng)中輸入工藝數(shù)據(jù)。輸入標(biāo)題，選擇輸入輸出數(shù)據(jù)單位制為ENG，物流類為CONVEN，物流流速選擇為mole。3Components選項(xiàng)中確定組分，根據(jù)進(jìn)料物質(zhì)的分子式在Aspen Plus添加組分甲基環(huán)乙烷、甲苯和苯酚，如圖2-4所示。圖2-4 組分定義在Properties選項(xiàng)中選擇熱力學(xué)方法為活度系數(shù)模型UNIFAC。在Streams選項(xiàng)中輸入物流數(shù)據(jù)：（1）進(jìn)料參數(shù)溫度：220 F；壓力：20 psi；甲苯流量：200 lbml/h；甲基環(huán)乙烷流量：200 lbml/h。（2）萃取劑參數(shù)溫度：220 F；壓力：20 psi；苯酚流量：1200 lb

44、ml/h。在Blocks選項(xiàng)中輸入單元操作模塊的數(shù)據(jù)：（1）配置 塔板數(shù)：22塊；塔頂冷凝器：全冷凝；塔頂餾出物流量：200 lbmol/h；回流比：8。（2）物流位置 萃取劑進(jìn)料位置：第14塊塔板；原料進(jìn)料位置：第7塊塔板。（3）壓力分布 第1塊板壓力：16 psi；第22塊板壓力：20.2 psi。經(jīng)過以上步驟之后，一個(gè)精餾分離模型就已經(jīng)建立完畢。點(diǎn)擊運(yùn)行，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真。首先打開Contoll Panel菜單，可以看到收斂循環(huán)上 Err/Tol的數(shù)值逐漸變小至收斂。2.1.4 仿真結(jié)果分析仿真運(yùn)行完成后，可以查看單元操作模塊的計(jì)算結(jié)果。對(duì)這個(gè)精餾分離模型Aspen Plus仿真計(jì)算的結(jié)果非

45、常全面，包括反應(yīng)后塔頂塔底各種參數(shù)（溫度、壓力等）和各種物質(zhì)的含量以及每層塔板上的混合物組成情況等等。1塔頂冷凝器計(jì)算結(jié)果圖2-5塔頂冷凝器計(jì)算結(jié)果如圖2-5所示為最上層的冷凝器的計(jì)算結(jié)果，熱負(fù)荷為-24165073Btu/hr，溫度為218.833 F，高于甲基環(huán)乙烷的沸點(diǎn)213.681 F而低于甲苯的沸點(diǎn)231.134 F，在這個(gè)溫度下，冷凝器里面甲基環(huán)乙烷為汽態(tài)，能夠經(jīng)過冷凝作用從塔頂餾出，甲苯為液態(tài)，會(huì)向下面的塔板流動(dòng)。前面在建立模型過程中Blocks選項(xiàng)中輸入單元操作模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置塔頂餾出物流量200 lbmol/h，回流比為8，此時(shí)在計(jì)算結(jié)果上看到冷凝器的數(shù)據(jù)完全與設(shè)置數(shù)據(jù)吻合

46、，回流率等于蒸餾物流量和回流比的乘積。2各層塔板參數(shù)計(jì)算結(jié)果，如圖2-6所示。如圖2-6 各層塔板參數(shù)計(jì)算結(jié)果塔頂?shù)谝粔K板(冷凝器的位置)的溫度最低，為218.833 F，從上往下各層塔板溫度緩慢上升。塔板壓力值在前面設(shè)置時(shí)，塔頂?shù)谝粔K被設(shè)為16 psi，塔底第22塊為20.2 psi，從上圖可以看見這兩塊板的壓力等于設(shè)置值，中間各層的壓力自下而上逐漸降低。塔頂熱負(fù)荷最小為負(fù)值，塔頂最大，中間其他板都為0。在塔頂只有液相物質(zhì)，沒有汽相，其他塔板汽液混合。從理論上分析，因?yàn)樗斒且揽坷淠鞯睦淠饔毛@得蒸餾產(chǎn)物，其溫度應(yīng)該最低，壓力最小，熱量負(fù)，由于汽態(tài)物質(zhì)在冷凝器上冷凝，所以產(chǎn)物全部為液態(tài)。可

47、見計(jì)算結(jié)果與理論分析師吻合的。3各層塔板組分計(jì)算結(jié)果如圖2-7所示。圖2-7 各層塔板組分計(jì)算結(jié)果可以看見，在塔頂?shù)谝粚铀屦s出分離的產(chǎn)物甲基環(huán)乙烷（MCH），且純度高達(dá)98%，越往下面的塔板甲基環(huán)乙烷的純度越低。4物流計(jì)算結(jié)果圖2-8 物流計(jì)算結(jié)果這個(gè)計(jì)算結(jié)果就是最終的精餾分離達(dá)到平衡時(shí)各個(gè)流股的相關(guān)信息（其中1、2為進(jìn)料流股，3、4為出料流股）。可以看到精餾分離能量平衡時(shí)各個(gè)流股的溫度、壓力、熱負(fù)荷等，物料平衡時(shí)各流股的流率，即進(jìn)料速度、塔內(nèi)物料流動(dòng)和出料速度達(dá)到平衡，此時(shí)甲苯和甲基環(huán)乙烷流率為200 lbmol/hr，萃取劑苯酚的流率為1515.015 lbmol/hr，分離提純的甲基環(huán)

48、乙烷純度達(dá)到195.997/（195.997+0.280+3.724）= 98%。2.2 精餾分離模型添加動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)仿真可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，而不能夠顯現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。為了更體現(xiàn)該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)特性，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。其不同之處在于，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)要體現(xiàn)出輸出相對(duì)于輸入變化的特點(diǎn)。Aspen Dynamics進(jìn)行的動(dòng)態(tài)模擬仿真是直接建立在原有的Aspen Plus穩(wěn)態(tài)仿真平臺(tái)上, 只需將原有的靜態(tài)仿真應(yīng)用進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可得到動(dòng)態(tài)流程模擬應(yīng)用。在穩(wěn)態(tài)仿真平臺(tái)上使能動(dòng)態(tài)特性，然后進(jìn)入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置。1設(shè)置熱傳輸方法為LMTD(對(duì)數(shù)平均溫差法)。這種方法需要設(shè)置入口介質(zhì)溫度、熱容積以及位于

49、介質(zhì)和處理液之間的初始溫度，適用于液體交換傳感熱時(shí)溫度變化的情形。自動(dòng)計(jì)算初始物流率，而且此流率可以在動(dòng)態(tài)仿真過程中手動(dòng)操控或由一個(gè)控制器操控。2 回流罐幾何形狀設(shè)置為平放、兩頭橢圓形，長6英尺，直徑3英尺。如圖所示。圖2-9 回流罐幾何形狀塔板幾何尺寸設(shè)置。由于第1塊板為塔頂蒸餾產(chǎn)物出口，第22塊板為塔底其他混合物出口，僅需要設(shè)置第2到低21塊板，直徑全部設(shè)置為5英尺。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置完畢后，將文件導(dǎo)出為Aspen Dynamics的可執(zhí)行文件，下一步可以在Aspen Dynamics里進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。輸出類型為流量驅(qū)動(dòng)型。流量驅(qū)動(dòng)的模擬，模塊的出口物流壓力與流量由模塊的進(jìn)料狀況與模塊參數(shù)決定，不

50、受下游模塊的壓力影響。流量驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬與Aspen Plus中一樣，對(duì)于每個(gè)模型，給定了進(jìn)料參數(shù)與模塊參數(shù)有固定的規(guī)則來決定出口流率與壓力。有些情況下，在動(dòng)態(tài)模擬轉(zhuǎn)化過程中，自動(dòng)生成由壓力和液位控制器決定的出口流率。流量驅(qū)動(dòng)的模擬可以進(jìn)行大部分的動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)用。這種方法假設(shè)了完美的流量控制，這種假設(shè)通常比較合適，尤其是模擬僅有液體的系統(tǒng)。對(duì)于液體，壓力/流量動(dòng)力學(xué)非?？欤昝懒髁靠刂频募僭O(shè)通常是準(zhǔn)確的。2.3 Apsen Dynamics進(jìn)行精餾分離動(dòng)態(tài)仿真2.3.1 PID控制穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算得到精餾分離達(dá)到平衡時(shí)各物流的相關(guān)信息。在動(dòng)態(tài)方仿真里，通過添加擾動(dòng)，破壞原來穩(wěn)態(tài)仿真的平衡，由PID控

51、制器反饋控制，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到新的平衡。比例、積分、微分(PID)控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，運(yùn)用最廣泛的一種控制方式。其基本原理是根據(jù)反饋控制系統(tǒng)的偏差值按比例、積分、微分函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，所得結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)偏差值的運(yùn)算結(jié)果來控制被控對(duì)象。 e(t)為控制器的輸入即控制系統(tǒng)的給定量與輸出量的偏差；u(t)為控制器的輸出；Kp為比例系數(shù)；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。 在連續(xù)時(shí)間域中，HYPERLINK /product/searchfile/6127.htmlPID控制器算法的表達(dá)式為： 一般控制系統(tǒng)的PID系統(tǒng)控制框圖如圖所示。其中，r(t)為系統(tǒng)設(shè)定值，c(

52、t)為系統(tǒng)反饋值，e(t)為反饋誤差，u(t)為PID控制器輸出值。圖2-10 PID控制系統(tǒng)框圖比例環(huán)節(jié)作用：按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

53、微分環(huán)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用,因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。2.3.2 設(shè)置PID控制器在動(dòng)態(tài)仿真軟件Aspen Dynamics里打開前面在Aspen Plus導(dǎo)出的精餾分離文件，向精餾分離模型中添加一個(gè)PID控

54、制器MCHCOMP和一個(gè)延時(shí)模塊MCHCOMPDT。設(shè)置PID控制器的輸入即系統(tǒng)反饋值為流股3（餾出產(chǎn)物）中甲基環(huán)乙烷的純度。PID控制器的輸出值為流股2中萃取劑苯酚的流率。 則有：c(t) = STREAM(3),Zn(MCH)u(t) = STREAM(2),FcR(PHENOL)在中間加上一個(gè)延時(shí)模塊，設(shè)置延時(shí)時(shí)間為5min。設(shè)置后的動(dòng)態(tài)仿真流程圖如圖2-11所示。 由于穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果苯酚流量為1515 lbmol/hr時(shí)產(chǎn)物中甲基環(huán)乙烷純度98%，設(shè)置PID控制器MCHCOMP的輸入初始為r(t) = 0.98，輸出初始值為1515，比例系數(shù)為Kp=-6,積分時(shí)間常數(shù)為T1=30mi

55、n,微分時(shí)間常數(shù)為Td=0。 圖2-11 精餾動(dòng)態(tài)模擬流程圖2.3.3 Aspen Dynamics進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真設(shè)置好PID控制器直接運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖2-12所示。由圖看到PID控制器的輸入值穩(wěn)定在0.98，輸出值穩(wěn)定在1515.1025。由于仿真是從Aspen Plus的穩(wěn)態(tài)結(jié)果開始，沒有加入任何擾動(dòng)，所以仿真圖所示的變量還是處于穩(wěn)態(tài)。圖2-12 不加擾動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真圖將穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果中輸入混合物的流率修改，添加組分?jǐn)_動(dòng)，如圖2-13所示，流股1中混合物原來甲苯和甲基環(huán)乙烷流率都是200 lbmol/hr，現(xiàn)修改為甲苯流率180 lbmol/hr，甲基環(huán)乙烷流率220 lbmol/hr。再次

56、運(yùn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖所示。由圖看到，加入擾動(dòng)后，一開始甲基環(huán)乙烷的回收純度超過了98%，通過PID控制器的反饋控制，不斷調(diào)節(jié)苯酚的流率，經(jīng)過三小時(shí)后甲基環(huán)乙烷的純度重新達(dá)到98%，此時(shí)計(jì)算得到萃取劑苯酚的流率為1460.5901 lbmol/hr。圖2-13加擾動(dòng)后動(dòng)態(tài)仿真圖第三章 CSTR模擬第三章 CSTR模擬3.1 CSTR模型3.1.1 CSTR 簡(jiǎn)介CSTR(continuous stirred tank reactor)連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器又稱連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)，是指帶有攪拌漿的槽式反應(yīng)器。攪拌的目的在于使物料體系達(dá)到均勻狀態(tài)，以有利于反應(yīng)的均勻和傳熱。反應(yīng)過程包括體系中物料的物

57、理和化學(xué)的變化，表征其體系特性的參數(shù)包括溫度、壓力、液位及體系組分等。CSTR屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)類反應(yīng)器，在仿真過程中根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算反應(yīng)結(jié)果。CSTR原理：在一個(gè)密閉罐體內(nèi)完成料液的發(fā)酵、沼氣產(chǎn)生的過程。消化器內(nèi)安裝有攪拌裝置，使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)。投料方式采用恒溫連續(xù)投料或半連續(xù)投料運(yùn)行。新進(jìn)入的原料由于攪拌作用很快與發(fā)酵器內(nèi)的全部發(fā)酵液菌種混合，使發(fā)酵底物濃度始終保持相對(duì)較低狀態(tài)。CSTR優(yōu)點(diǎn)：CSTR工藝可以處理高懸浮固體含量的原料。消化器內(nèi)物料均勻分布，避免了分層狀態(tài)，增加了物料和微生物接觸的機(jī)會(huì)。CSTR性質(zhì)：釜內(nèi)達(dá)到理想混合?？赡M單、兩、三相的體系，并可處理固體?？?/p>

58、同時(shí)處理動(dòng)力學(xué)控制和平衡控制兩類反應(yīng)。CSTR用途：已知化學(xué)反應(yīng)式、動(dòng)力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計(jì)算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時(shí)間，以及反應(yīng)器熱負(fù)荷。圖3-1 CSTR的連接圖CSTR的連接如圖3-1所示，至少需要一股進(jìn)料物流和一股出料物流，輸入熱流和輸出熱流都可以隨意選擇。3.1.2 CSTR仿真模型 SKIPIF 1 0 圖3-2 CSTR系統(tǒng)示意圖本章仿真在如 REF _Ref142256075 h 圖所示的非恒溫CSTR(Continuous stirred tank reactor，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)一階 SKIPIF 1 0 放熱反應(yīng)，且假定其中為全混流，物理特性恒

59、定。該系統(tǒng)有一個(gè)供給流，一個(gè)冷卻流和一個(gè)產(chǎn)品流。系統(tǒng)可視為由下式表示的5輸入2輸出的一階動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)。 SKIPIF 1 0 （3-1） SKIPIF 1 0 （3-2）兩式分別描述了系統(tǒng)中的質(zhì)量和能量平衡。其中輸入變量包括三個(gè)擾動(dòng)輸入：供給流濃度( SKIPIF 1 0 )和溫度( SKIPIF 1 0 )、產(chǎn)品流流速( SKIPIF 1 0 )和冷卻流溫度( SKIPIF 1 0 )，及一個(gè)操縱變量冷卻流流速( SKIPIF 1 0 )。輸出變量包括產(chǎn)品流的濃度( SKIPIF 1 0 )和溫度( SKIPIF 1 0 )。利用控制通過調(diào)節(jié)冷卻水的流速( SKIPIF 1 0 )可以控制

60、出口處的溫度(T)，這里采用如下比例反饋控制， SKIPIF 1 0 （3-3）3.1.3 CSTR仿真模型參數(shù)上述模型中的參數(shù)取值如表3-1所示。表3-1 CSTR模型參數(shù)仿真中，CSTR由下面過程擾動(dòng)來激勵(lì)， SKIPIF 1 0 （3-4）其中 SKIPIF 1 0 為標(biāo)準(zhǔn)差， SKIPIF 1 0 為標(biāo)準(zhǔn)白噪聲過程， SKIPIF 1 0 為擾動(dòng)自回歸系數(shù)，這里只考慮非自相關(guān)的擾動(dòng)，即 SKIPIF 1 0 。擾動(dòng)輸入變量的真實(shí)值可表示為 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 為各變量操作點(diǎn)值。每一個(gè)過程變量的測(cè)量值都可表示為 SKIPIF 1 0 ，其中 SKIPIF 1