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1、试验平台模型简介三水箱系统的液位控制是当今生产和生活中很常见的问题，而液位系统控制一般是在模型已知的基础上进行，因此，液位系统的建模研究变得非常重要。而以往的液位系统建模研究大多都集中在单容系统或者双容系统，对三容以上的液位系统，由于其各容器液位间的关系属于非线性耦合关系，建模工作非常复杂，所以现有的研究内容仅局限于对其中某些子系统进行。如图为装置的示意图，图中可实现的一个典型工作状态是：泵P1、P2用于供水，泵P3停用，连通阀CV1、CV2、CV3开启，泄漏阀LV1、LV2、LV3关闭，调整泵P1、P2的转速保持液位h1、h2稳定在各自的给定值上，将系统的平衡方程应用到3个水箱上面可以得到：
2、 （1） （2）三水箱系统结构示意图Strecture of three-tank system泵1泵2Q1Q2Aaz1az3az2Q13Q23Q2S1Sn水箱1水箱2水箱3 （3）未知量，和可由在一般情况下的托里切利规则决定。定义为： （4）式中：g：为重力加速度，；sgn：为参数z的符号；：为每两个相邻水箱的液位差，m； ：为流量系数，范围在01之间；Q：流通管中的流量，；：为连通管截面积，所以得到未知量为： （5） （6） （7）即可得到数学模型1： （8） （9） （10）TE模型简介TE过程(Tennessee Eastman Process)是一个实际化工过程的仿真模拟。它是由美国
3、Tennessee Eastman化学公司过程控制小组的J.J.Downs和E.F.Vogel2提出的，被广泛的应用于过程控制技术的研究。这个过程模型首先是以 FORTRAN源代码的形式提供给过程控制学界，主要描述了装置、物料和能量之间的非线性关系。TE模型主要可以被用来进行装置控制方案的设计，多变量控制，优化，模型预测控制，非线性控制，过程故障诊断，教学等。在TE模型上进行多工况自动切换系统的研究和开发，为后续的实际生产装置的多工况自动切换系统积累了一定的开发经验。由于这是一个仿实际生产装置的数学模型，所以在开发过程中和现场开发是有明显区别的，我们不用担心方案的设计会影响到实际的生产过程，可
4、以放心的在其上面进行方案可行性和正确性的测试。Product 1，产品1TE生产过程主要由四种气态物料参与反应，分别为A、C、D和E，生产出两种产品G、H，并伴有一种副产品F，此外在产品的进料中含有少量的惰性气体B。整个过程主要由四种反应组成，反应方程式如下：A(g) + C(g) +D(g) G (g)Product 2，产品2A(g) + C(g) +E(g) H (g) Byproduct，副产品A(g)+E(g) F(liq)Byproduct，副产品3D(g) 2F(liq)上述反应均是放热反应，且反应是不可逆的。反应的速率是与温度相关的一个函数。生产G产品时，对温度是非常灵敏的。相
5、对于反应物浓度而言，这个反应可以近似被看作一阶反应。整个过程主要有五个操作单元组成：反应器、产品冷凝器、气液分离器、循环压缩机和汽提塔。气态的反应物进入到反应器中，生成液态产品气相的反应是在一种不挥发的气相催化剂的作用下进行的。反应器内置有冷凝包用来移除反应产生的热量。产品以气态的形式出来，并夹杂有一些未反应物。催化剂仍然滞留在反应器中。工艺流程图如下：TE工艺流程从反应器出来的产品流量，首先经过一个冷凝器，冷凝之后从里面出来到气液分离器中。在气液分离器中，没有被压缩的组分通过一个离心式的压缩机被回收到反应器中的物料中；被压缩的组分到了产品的提馏段进行提馏，从而移除剩余的反应物。产品G和H从提
6、馏段中出来，在下面的精馏段中被分离，这不包括在这个模型范畴以内。那些惰性气体和气态的副产品主要通过放空手段进行了移除。根据产品G和H的不同的三种比率，共有六种生产状态。见下表：TE过程生产模式模 式G/H比 率产 品 生 产 率150/507038kgh-1G 和7038kgh-1H210/901048 kgh-1G 和12669 kgh-1H390/1010000 kgh-1G 和1111 kgh-1H450/50最大生产率510/90最大生产率690/10最大生产率TE模型的控制策略设计TE过程主要有十二个操纵变量和四十一个测量变量，表为十二个操纵变量，1-3为22个过程连续变量测量值，1
7、-4为19个色谱测量组分值。研究这个过程的首要前提就是要有一套控制方案来操作这个装置。这个过程的控制目标对于化学反应来说是非常典型的：（1）要保证过程变量值在期望范围内。（2）在设备的限制条件下，要保证过程操作的条件。（3）在有扰动的情况下，使得产品收率和产品质量的变化尽可能的小。（4）要尽量减小影响其它过程的阀门开度。（5）当产品的收率和混合产品的组成发生变化时，能迅速、平稳的从扰动中恢复过来。过程操纵变量 变量名变量符号基础值低限高限单位D流量XMV163.05305811Kgh-1E流量XMV253.98008354Kgh-1A流量XMV324.64401.017kscmhAC混合流量X
8、MV461.302015.25kscmh压缩循环阀XMV522.2100100%放空阀XMV640.0640100%分离器液体流量XMV738.100065.71m3 h-1汽提塔液体流量XMV846.534049.10m3 h-1汽提塔蒸汽阀XMV947.4460100%反应器冷凝水流量XMV1041.1060227.1m3 h-1冷凝器冷却水XMV1118.1140272.6m3 h-1搅拌速度XMV1250.000150250rpm上述的每一个操纵变量都是通过设置相应的XMV来定义的，其值在0100之间。基础值即XMV变量的初始值，XMV变量的范围为0100。在实际过程中，变量的低限为X
9、MV（i）=0，高限为100。我们在研究过程中可以使这些变量超过0100的限制，但是在程序的实际运行过程中，它们会被限制为0或者100。过程连续变量测量值变量名变量符号基础值单位A物料流量XMEAS10.25052kscmhD物料流量XMEAS23664.0Kgh-1E物料流量XMEAS34509.3Kgh-1A、C混合物料流量XMEAS49.3477kscmh回收流量XMEAS526.902kscmh反应器进料率XMEAS642.339kscmh反应器压力XMEAS72705.0kPa gauge反应器液位XMEAS875.00%反应器温度XMEAS9120.40oC放空率XMEAS100.
10、3372kscmh产品分离器温度XMEAS1180.109oC产品分离器液位XMEAS1250.000%产品分离器压力XMEAS132633.7kPa gauge产品分离器出口流量XMEAS1425.160m3h-1汽提塔液位XMEAS1550.000%汽提塔压力XMEAS163102.2kPa gauge汽提塔出口流量XMEAS1722.949m3h-1汽提塔温度XMEAS1865.731oC汽提塔蒸汽流量XMEAS19230.31kgh-1压缩机工作功率XMEAS20341.43kw反应器冷却水出口温度XMEAS2194.599oC分离器冷却水出口温度XMEAS2277.297oC过程色谱
11、测量值反应器流量色谱组分变量名基础值单位AXMEAS2332.188Mol%BXMEAS248.8933Mol%CXMEAS2526.383Mol%DXMEAS266.8820Mol%EXMEAS2718.776Mol%FXMEAS281.6567Mol%放空气体色谱组分变量名基础值单位AXMEAS2932.958Mol%BXMEAS3013.823Mol%CXMEAS3123.978Mol%DXMEAS321.2565Mol%EXMEAS3318.579Mol%FXMEAS342.2633Mol%GXMEAS354.8436Mol%HXMEAS362.2986Mol%产品流量色谱组分变量名基
12、础值单位DXMEAS370.01787Mol%EXMEAS380.83570Mol%FXMEAS390.09858Mol%GXMEAS4053.724Mol%HXMEAS4143.828Mol%表中列出了在操作过程中控制系统必须遵循的特殊的操作条件，这些约束条件主要是为了保护生产设备。高限和低限是过程连锁策略的一部分，并且在不满足控制条件时会自动停车。过程约束条件 过程变量正常操作限制停车限制低 限高 限低 限高 限反应器压力无2895kpa无3000kpa反应器液位50（11.8m3）100（21.3m3）2.0m324.0m3反应器温度无150无175产品分离器液位30（3.3m3）100%（9.0m3）1.0m312.0m3汽提塔基础液位30（3.5m3）100%（6.6m3）1.0m33.0m3关于下游进行精馏产品G和H的系统，其产品流量变化是很重要的。产品流率的变化超过有效值的正负百分之五，即在816h-1内，对过程影响较大；如果组分的变化率超过G有效值的正负百分之五，即在610 h-1内，对过程的影响也是非常大的。控制策略应该尽量减小产品流量的变化率。在这个复杂的装置中，四种进料量是其它生产设
