1、目錄目錄1摘要2Abstract3第一章引言411精餾塔相關情況分析412精餾塔的模型化5I3精餾塔過程工藝描述5第2章 精餾塔控制方法821精餾塔常規控制方案822精餾塔先進控制的定義8221先進控制的主要特點9222精餾塔PID先進控制的發展狀況1023 PID先進控制的核心內容1224模型預測控制13第三章 精餾塔的模型化1431模型建立的基本方法1432二元精餾塔過程模型化14321精餾塔過程的模型推導14322機理模型的求解1733高階線性模型的降階21第四章先進控制算法2241精餾塔基本控制方案2242精餾塔PID控制系統設計2343精餾塔解耦控制2544預測控制算法的DMC實現2

2、6第五章MATLAB仿真275.1 MATLAB介紹275.2 C語言與MATLAB接口編程介紹29521 為什么要編寫C語言與MATLAB之間的接口函數29523 GUI編程305.3算法流程圖33總結35參考文獻36致 謝37摘要精餾塔是化工、石油、醫藥等領域常見的生產過程，是較為典型的單元生產過程。由于精餾塔過程變量多、變量關系復雜，使建模控制與優化成為理論與實踐研究中十分重要的環節。本文針對某廠實際精精餾塔生產過程，深入分析了精餾塔過程的特點，較系統地研究了二元精餾塔過程模型、對一些可以應用于實際的先進控制算法進行了探討，針對實際精餾塔過程，對工藝及過程進行了深入分析，在分析幾種理論精

3、餾塔過程建模方法的基礎上，研究并建立二元精餾塔過程的仿真模型，由于塔板數較多，模型的階次較高，對其進行了降階設計，該模型較精確可行且收斂穩定，有利于工程應用。在對模型進行仿真檢驗中，模型計算結果與現場實測結果較為接近，滿足較高的工程精度要求。針對反映實際精精餾塔過程的模型，對先進控制算法進行了探討，主要是結合解耦控制，模型預測控制等較有可能應用于實際的控制算法控制方案進行研究，仿真結果表明了控制方案與算法的有效性，適合生產投運。關鍵詞：精餾塔建模；降階控制；系統解耦；MATLAB仿真AbstractColumn is chemical, petroleum, pharmaceutical, e

4、tc, are the common production process is typical unit production process. Because distillation process variables, more complex variable, and the optimal control model in theory and practice research becomes very important segment. In this paper, the actual production of pure propylene distillation p

5、rocess, deeply analyzes the process of distillation, systematically studied binary distillation process model, some can be applied in the actual advanced control algorithm, this paper probes into the process of distillation, practical technology and process are analysed, and several theoretical anal

6、ysis on the process of distillation modeling method based on the research and establish the dual distillation process simulation model, because many plates, the order of model, analyses the design and the reduced order model is accurate and feasible and convergence stable engineering application. In

7、 the model, the model simulation test results with the site actual measurements, the relatively close higher accuracy requirements of project. According to the actual essence of propylene distillation process of advanced control algorithm model, this paper probes into the main is combined with decou

8、pling control, such as model predictive control can be applied in practical control algorithm is studied control scheme, the simulation results indicate that the control scheme and the validity of the algorithm is suitable for the production and operation.Keywords: distillation modeling, Introduced.

9、simulation control, System decoupling, MATLAB simulation第一章引言11精餾塔相關情況分析精餾塔的模型化與先進控制算法綜述精餾塔是應用極為廣泛的傳質過程。精餾塔裝置是耗能最大的單元之一。此外，精餾塔是一個典型的多輸入多輸出對象，它的通道很多，動態響應緩慢，內在機理復雜，參數間相互關聯，各塔的工藝結構千差萬別，因此建立合適模型對精餾塔的控制由為重要。另一方面，隨著我國經濟體制的轉變，國內的眾多過程工業企業目益感受到國際間競爭所帶來的壓力和挑戰。在這種大的背景下，積極開發和應用先進控制和實時優化技術以提高企業經濟效益，進而增強自身的競爭力是過程

10、工業迎接挑戰的重要策略?，F代控制理論和人工智能幾十年來的發展以為先進控制奠定了應用理論基礎，而控制計算機尤其是集散控制系統(DCS)的普及與提高則為先進控制的應用提供了強有力的硬件和軟件平臺?？偠灾?，企業的需要，控制理論和計算機技術的發展是先進控制(Advance Contr01)發展強有力的推動力。先進控制是對那些不同于常規單回路控制，并具有比常規PID控制更好的控制效果的控制策略的統稱，而非專指某些計算機控制算法。12精餾塔的模型化精餾塔是化工煉油生產中應用極為廣泛的傳質分離過程，其目的是將混合物中各組分分離，達到規定的純度，精餾塔過程的實質就是利用混合物中各組分具有不同的揮發度，即在同

11、一溫度下，各組分的蒸汽壓不同這一性質，液相中的輕組分轉移到汽相中，而汽相中的重組分轉移到液相中，從而實現分離的目的。隨著石油化工的迅速發展，精餾塔操作應用越來越廣泛。由于所分離的物料組分不斷增多，對分離作用產生的產品的純度要求亦不斷提高，這就對精餾塔的控制提出了更高的要求。而一般來說，化工過程的數學模型的建立有兩類不同的途徑，一種是從內在機理出發，導出機理模型，二是依據輸入輸出測試數據，通過系統辨識和參數估計，得出數學模型，當然，也有把二者結合起來的方法I3精餾塔過程工藝描述經脫硫后的液化石油氣，自裝置外進入脫丙烷塔進料罐，由脫丙烷塔進料泵抽出，經原料預熱器升溫至679后進脫丙烷塔第28塊塔板

12、上。塔頂氣體(48，4。C)先后經脫丙烷塔頂空冷器，脫丙烷塔頂后冷氣冷凝冷卻到456進入脫丙烷塔回流罐，一部分由脫丙烷塔回流泵送至塔頂作回流。另一部分出脫乙烷塔進料泵抽出，經脫乙烷塔迸料加熱器加熱到631進脫乙烷塔第14塊塔板上。脫丙烷塔底液體出塔后一部分經丙烷重沸器循環返塔，另一部分自壓進入輕重碳四分離塔中部，作為該塔進料。脫乙烷塔塔頂氣體(52)經冷凝器冷凝進入脫乙烷塔回流罐，不凝氣至催化裂解裝置或至燃料氣管網(催化裂解裝置不開工時)，冷凝液經脫乙烷塔回流泵打回塔頂作回流。塔底物流(645)一部分經脫乙烷塔重沸器循環返塔，另一部分自壓進入精丙烯塔第124塊塔板，作為該塔進料。精丙烯塔為三塔

13、串聯。c塔塔頂氣體進入B塔塔底，B塔塔頂氣體進入A塔塔底。A塔塔頂氣相精丙烯(483)先后經精丙烯塔塔頂空冷器，精丙烯塔頂后冷器冷凝冷卻至4596C進入精丙烯塔回流罐，然后由精丙烯塔回流泵抽出。一部分返回A塔塔頂作回流，另一部分經精丙烯冷卻器冷卻至出裝置。A塔塔底液體經精丙烯塔中間泵抽出，送入c塔塔頂第121塊塔板，C塔塔底液體一部分經兩臺并聯精丙烯塔重沸器循環返塔，另一部分丙烷餾分經丙烷冷卻器冷卻至40出裝置。輕重碳四分離塔塔頂氣體輕碳四餾分經輕重碳四分離塔頂冷凝器冷凝冷卻至47進入回流罐。輕重碳四分離塔塔底液體一部分經輕重碳四分離塔重沸器循環返塔，另一部分經碳四碳五冷卻器冷卻至40C，由輕

14、重碳四分離塔底送出裝置。塔頂餾出液和塔底釜液的平均采出量之和應該等于平均迸料量，而且這兩個采出量的變動應該比較和緩，以利于上下工序的平穩操作，塔內及塔頂，塔底容器的蓄液應介于規定的上下限之間。此外，塔內壓力恒定與否對塔的平穩操作有很大的影響。為了使精丙烯塔操作正常進行，必須滿足一些約束條件，例如，塔內汽液兩相的流速即不能過高，亦不能過低，因為流速過高，會引起液泛，而流速過低，引起塔板效率大幅度降低，最好在稍低于液泛的流速下操作。流速的控制，還要考慮塔的工作彈性。對于浮閥塔來說，由于工作范圍較寬，通常很容易滿足條件。但對于某些工作范圍較窄的篩板塔和乳化填料塔就必須很好地注意。所以許多塔中，裝有測

15、量塔底與塔頂問壓差的儀表有的還附有報警裝置。再沸器的加熱溫差不能大到超過“臨界溫差”等。影響精餾塔的操作因素很多。精餾塔是建立在物料平衡和熱量平衡的基礎上。一切因素均通過物料平衡和熱量平衡影響塔的正常操作。影響物料平衡的因素主要是進料流量，進料組分和采出量的變化等。影響熱平衡的因素主要是進料溫度(熱焓)的變化，此外，還有環境溫度的變化等。同時，物料平衡和熱平衡之間又是相互影響的。為了克服擾動的影響，常用的控制方法是改變餾出液采出量D，采出量B，回流量。蒸汽量V，冷劑Q中某些相的流量。第2章 精餾塔控制方法21精餾塔常規控制方案在過程工業界，在40年代開始，采用PID控制規律的單輸入單輸出簡單反

16、饋控制回路已成為過程控制的核心系統。其理論基礎是經典控制理論，主要采_用頻域分析方法進行控制系統的分析設計和綜合。按偏差的比例，積分，微分控制簡稱PID控制。PID控制是過程控制中廣泛應用的一種控制。PID控制器結構簡單，參數易于調整在長期的工作實踐中已經積累了豐富的經驗。特別是在工業過程控制中，人們常用PID調節器。自50年代末發展起來的以狀態空間方法為主體的現代控制理論，為過程控制帶來了狀態反饋，輸出反饋，解耦控制，白適應控制等一系列多變量控制系統設計方法。與此同時，計算機技術的持續發展使得計算機控制在工業生產過程中得到了廣泛的應用，強大的計算能力可以用來求解許多過去認為是無法求解計算的問

17、題，這一切都孕育著過程控制領域的新突破。作為一個整體，先進控制應包括從數據采集處理，數學模型建立，先進控制策略和工程實施的全部內容。22精餾塔先進控制的定義先進控制是那些不同于常規單回路控制并具有比常規PID控制更好的控制策略的統稱，而非專指某種計算機算法。這些控制策略的先進性在于它們目前在工業過程中尚很少使用，由于先進控制的內涵豐富，同時帶有很強的時代特征，因此至今對先進控制還沒有嚴格的統一的定義，盡管如此，先進控制的任務確是明確的，既用來處理那些采用常規、效果不好甚至無法控制的復雜工業過程控制的問題，先進控制應用得當可帶來顯著的經濟效益。以石化企業為例，一個先進控制的年效益在百萬元以上，其

18、投資回報率在一年左右，豐厚的回報是其惹人矚目之處，通過實施先進控制提高系統動態性能，減少過程能量損耗，接近控制優化值，從而將生產裝置推向更接近其約束邊界條件下運行，最終達到增強裝置運行的穩定性和安全性，保證產品質量的均勻性，提高目標產品收率，增加裝置處理量，降低運行成本，最終達到減少環境污染等目的221先進控制的主要特點(1)與傳統的PID控制不同，先進控制是一種基于模型的控制策略，如模型預測控制和推斷控制等。目前基于知識的控制，如智能控制和模糊控制正成為先進控制的一個重要方向(2)先進控制通常用于處理復雜的多變量過程控制、問題，如大時滯多變量耦合，被控變量和控制變量存在某種約束等。先進控制是

19、建立在常規單回路控制之上的動態協調約束控制，可使系統適應實際工業生產過程動態和操作要求。(3)先進控制的實施需要足夠的計算能力作為支持平臺。由于先進控制受控制算法的復雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，早期的先進控制算法通常是在上位機上實施的。隨著DCS功能的增強，更多的先進控制策略可以與基本控制回路一起在DCS上實現。后一種方式可有效地增強先進控制的可靠性，可操作性和可維護性。從全廠的綜合自動化的角度看，先進控制恰好起承上啟下的地位，性能良好的先進控制是在線優化得以實施的前提，進而可將企業領導者的經營決策、生產管理和調度的有關信息及時落實至全廠生產裝置的實際運行_中并可真正實現全廠綜合優化控制

20、。先進控制在工廠綜合優化控制的作用如圖21所示。圖21先進控制在工廠的綜合優化控制作用222精餾塔PID先進控制的發展狀況在過程工業界，從40年代開始，采用PID控制規律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路已成為過程控制的核心系統。其理論基礎是經典控制理論，主要采用頻率響應方法進行控制系統的分析設計和綜合。目前PID控制仍廣泛使用。即便是大量使用DCS控制的最現代化裝置中，這類回路仍占總回路數的80一90。這是因為PID控制算法是對人的簡單而有效的操作方式的總結與模仿，足以維護一般的工業過程的平穩操作與運行，而且這類算法簡單且應用，歷史悠久，工業界比較熟悉且容易接受。然而單回路PID控制并不能適用于

21、所有的過程和不同的要求。從50年代開始，逐漸發展了串級比值前饋均勻和Smith預估等復雜控制系統，既當時的先進控制系統。在很大程度上滿足了單變量控制系統的一些特殊的控制要求。雖然它們從理論上看仍是經典控制的產物，但是在結構和應用上各有特色，目前仍在不斷的改進和應用。在工業過程中，仍有10一20的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的過程往往具有強耦合性不確定性非線性信息不完全性和大純滯后等特征。并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數是生產過程的核心部分，直接關心到產品的質量產率和消耗等有關指標。隨著過程工業日益走向大型化連續化，對過程的控制品質提出了更高的要求，控制與經濟的矛盾FI益

22、尖銳，迫切需要一類合適的先進控制策略。自50年代末發展起來的以狀念空間方法為主體的現代控制理論，為過程控制帶來了狀態反饋輸出反饋解耦控制白適應控制等一系列多變量控制系統設計方法；對于狀態不能直接測量的情形也有觀測器和估計器等工具。然而當現代控制理論真正應用于工業過程控制時，卻遇到了前所未有的困難，以致產生它是否適用于過程控制的困惑。究其原因，人們發現，除了上述多變量控制自身的不足外(例如解耦控制在約束處理和控制變更時缺乏靈活性)，工業過程的復雜性使得建立起正確的模型也比較困難。此外現代控制理論所需的數學基礎也在一定程度上限制了它被過程控制界所熟悉和了解，與此同時，計算機技術的持續發展使得計算機

23、控制在工業控制中得到廣泛應用，強大的計算能力可以用來求解許多過去認為無法求解的計算問題，這一切都孕育著過程控制領域的新突破。1980年前后，來自過程控制屆兩位探索者JRichalet和CRCutler分析報道了其各自研究的有關解決實時動態環境下帶約束多變量耦合系統的控制問題的成果。這一事實表明過程工業已開始接受現代控制概念，從而引發了預測控制在工業過程的廣泛應用。整個80年代，出現了許多模型預測控制的工程化軟件，通過在模型識別優化算法控制結構分析參數整定和有關的穩定性和魯棒性的研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系已經能夠形成，并成為目前過程控制應用最成功也最有前途的先進控制策略，近年來人工

24、智能的技術有了長足的進步并在許多科學與工程領域中取得了較廣泛的應用。就過程控制而言，專家系統神經網絡模糊系統是最有潛力的三種工具，專家系統可望在過程故障診斷監督控制檢測儀表和控制回路有效性檢驗中獲得成功應用，神經網絡則可為非線性過程建模提供有效的方法，進而可用于過程軟測量和控制系統的設計上。模糊系統不僅是行之有效的模糊控制理論基礎，而且有望成為表達確定性和不確定性的兩類混合并提煉這些經驗使之成為知識進而改善已有的控制系統的工具，這是先進控制的重要內容。由于許多重要的工業過程都表現出內在的非線性，如PH中和過程使得那些基于模型的控制策略和傳統的控制很難奏效，早期的解決辦法有變增益控制和針對特定過

25、程來設計系統，近來有關基于非線性模型機理和經驗的控制有了很大的發展，但是非線性控制尚屬開發之中的先進控制策略，實際的工業應用尚不多見?？刂葡到y的魯棒性是體現系統性能的重要標志，它體現了模型與實際過程有出入的情況下控制品質的變化情況，在經典控制理論中，穩定裕度可反映系統魯棒性，當穩定裕度大時，控制系統品質對系統參數的變化不敏感，既有較好的魯棒性，現代控制理論則為魯棒性的分析提供了更多方法，尤其是魯棒控制器單獨提出之后。這一領域研究一直是控制理論解的研究熱點并逐漸成為一個獨立分支，事實上，魯棒控制的目的就是要設計出所希望下的操作條件下都具有良好性能的控制器，這一點符合過程控制器的需要，與其說魯棒控

26、制器是一種先進控制策略，倒不如說它是一種控制系統的設計思想，它可以用于各種_類型控制器(包括從PID控制到復雜的多變量控制器)的設計與整定，魯棒控制之所以在過程工業中應用較少的主要原因是在于其原理過于復雜尤其是對于多變量問題，要使之成為解決任何控制問題的當然選擇，尚需做大量的改進和簡化工作，應當看到使先進控制具有魯棒性是今后發展的重要方向。23 PID先進控制的核心內容a多變量動態模型辨識技術獲取動態數學模型是先進控制的基礎。對于復雜工業過程，需要強有力的辨識軟件，以便在提出一些過程虛假數據的基礎上把分段數據有機的組合起來，最終用實際工業生產環境下進行現場裝置試驗的數據，獲得多輸入多輸出的實際

27、模型。實際過程模型化是一門專門的技術，它涉及到過程動態學系統辨識統計學以及人工智能等多種知識，盡管目前類似模型預測控制這樣的先進控制均采用工業試驗的方法來獲取控制模型，但是那些準確并可靠的機理模型和智能模型建立也有望成為有效的控制模型。b先進控制策略先進控制策略采用了合理的控制目標和控制結構，可更好的適應工業生產過程的需要先進控制主要解決(1)個別重要過程變量控制性能的改善，主要采用單變量模型預測控制與原控制回路構成所謂的透明控制的方式(2)解決約束多變量過程的協調問題，主要采用帶協調層的多變量預測控制策略(3)推斷質量控制利用軟測量的結果實現閉環的質量卡邊控制，涉及到主要控制策略有模型預測控

28、制、推斷控制、質量卡邊控制、統計過程控制、正在興起與研發的模糊控制、神經控制、非線性控制和魯棒控制24模型預測控制模型預測控制一經問世即在復雜工業過程中得到廣泛應用，顯示出強大的生命力，其成功主要在于它突破了傳統的控制思想的約束，不僅較好地符合工業過程的實際要求，雨且體現了現代控制理論的優化思想模型預測控制利用生產過程的響應來建立描述過程動態行為的數學模型并根據某種優化指標來確定控制量時間系列，從而使未來一段時間內被控量與經柔化后的期望軌跡之間的誤差為最小，由于預測控制算法采用在線滾動優化并在優化過程中不斷通過系統的實際輸出與模型預測輸出之差來進行反饋校正，因此模型預測控制能在一定程度上克服由

29、于預測模型的誤差和某些不確定干擾等影響從而增強系統的魯棒性第三章 精餾塔的模型化31模型建立的基本方法所謂的模型就是用物理或數學的手段，對實際過程(原型)所發生的現象進行描述的工具。主要特征與實際過程一致?；ο髣討B模型的建立有許多方法，但從獲得模型的途徑來分，可分為機理模型、辨識模型和機理辨識模型等三種方法。(一)機理模型是直接根據物理、化學的基本原理建立起來的數學模型。根據系統的內在機理，利用基本的物理、化學定律(如質量守恒定率、能量守恒定率、動量守恒定率等)，以及系統的結構數據，來推導物理、化學關系式的數學模型，建立原始微分方程，即化工動念學方法，所得到的模型稱為機理模型。(二)辨識模

30、型就是對現有的化工過程進行專門實驗，獲取輸入、輸出數據或根據過程正常生產的輸入、輸出數據來構成動態數學模型的方法。(三)機理一辨識模型是兩種建模方法的結合。首先通過機理分析，確定各參數之間的關系，列出原始方程，然后再根據測得的實驗數據、過程的輸入、輸出值來估計參數方程中的各系數，即參數估計，建立數學模型。本次精餾塔過程的動態數學模型通過機理建模型方法求得32二元精餾塔過程模型化321精餾塔過程的模型推導精餾塔動態數學模型主要是從精餾塔的內在機理出發，依據物料衡算、熱量衡算、汽液平衡關系建立的。精餾塔的操作如圖31所示。全塔共有176塊塔板，加料板是第124塊(自上而下計)塔板。進料為飽和液體，

31、流量為F(mols)，易揮發組分的摩爾分率。塔頂汽相經全部冷凝后進入回流罐?；亓鞴薜男钜毫繛镸。易揮發組分的摩爾分率。回流罐的溫度恰好為它的飽和溫度，回流液由泵送回至第一塊塔板，回流量為M(mots)，餾出液的流量為D(tools)。塔底和再沸器的蓄液量為M，易揮發組分的摩爾分率。由于M為定值，總的物料和易揮發組分的物料衡算式分別是：由物料衡算關系可列出微分方程：1 回流罐2 精餾塔段第rl塊板3.加料板ns4 提餾段第j塊板5 再沸器和塔底將上列各式組合在一起，就可得到矩陣形式的狀態方程上式中，三。和y為控制變量，和，為擾動變量，x為狀態變量，輸出變量可以根據需要確定。本次論文中三。和V為控

32、制變量，并且認為該精餾塔無擾動不需要P相。不難看出，對于上下濃度差較大的塔板。遇到變化時，初始的變化度較快，即響應快；對于濃度差眵。較大遇到礦變化時，初始化的速度較快，即響應快。322機理模型的求解精餾塔過程是既涉及傳熱又涉及傳質的過程，相互影響的因素較多，為了簡化計算，通常假設塔內恒摩爾流動，即：(1)摩爾氣流。精餾塔操作時，在精餾塔的提餾段內，每層塔板上升的氣體摩爾流量都是相等的，在精餾塔段內也是如此。但兩段的上升蒸汽摩爾流量卻不一定相等，即：(2)摩爾液流精餾塔操作時，在精餾塔的精餾塔段內，每層板下降的液體摩爾流量都是相等的在提餾段內也是如此。但兩段的液體摩爾流量卻不一定相等，即：恒摩爾

33、流動必須滿足以下條件：(1)各組分的摩爾汽化潛熱相等；(2)塔設備保溫良好，熱損失可以忽略；(3)汽液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略。丙烷精餾塔過程基本上符合上述條件，可將此系統在精餾塔內的汽液視為恒摩爾流動。由于所選的精餾塔板間溫度差和濃度差均較小，因此沒有采用逐板計算法，而是每隔10塊板選一塊作為研究對象，構成了20階的模型。下面介紹一下具體建模過程：1摩爾百分含量的求解己知：(1)進料量：F=7Ofh各組分質量百分率分別為：丙烯96、丙烷4(3)回流量：三。=120t，h各組分質量百分率分別為：丙烯9961、丙烷O39(3)塔頂采出量：D=64th各組分質量百分率分別為：丙烯996

34、1、丙烷O39(4)塔底流出量：W=06th各組分質量百分率分別為：丙烯588351、丙烷411649所以可得：因進料為飽和料液進料，如圖22所示，則有：回流比為：根據質量守恒可知：圖2-2飽和料液進料情況所以釜液中摩爾百分含量為：己知：塔頂溫度為483，塔頂溫度為62，這里認為每兩板之間的溫度差是相同的，用差值算法算出每板溫度，再由溫度求出每層板上的飽和蒸汽壓，最后用兩種物質在某一溫度下的飽和蒸汽壓的比得到相對揮發度a。丙烯、丙烷在40、50、60、70。C的飽和蒸汽壓為：己知： 在精餾塔段：代入式(1)可求得Z。，再把Z，的值代入精餾塔操方程可求的E，再把只代入上式可求的x，依次可求得只在

35、提餾段X。(以由上步可求得)，代入式(210)，同理可依次求得X。上述值可通過計數字計算機求得。2蓄液量的求解蓄液量是在建模過程中所需的一個很重要的數據，它受到溫度、狀態、物質等方面的影響，下面就對不同溫度下丙烯和丙烷組成的混合物在每塊板上的蓄液量進行計算。33高階線性模型的降階從精餾塔的動態方程可以看出，即使作了不少假設，但精餾塔的動態方程還是比較復雜，作為控制用的數學模型，必須進行降階。常用的降階方法有兩大類，第一類是根據系統的時間響應或頻率響應得到低階模型，時間或頻率響應值可以通過實驗手段或計算機仿真求得；第二類是根據保留高階系統主極點的原則進行。后一類比較實用的方法有達維遜(Davis

36、on)法和馬歇爾(Marshall)法，它們實際上也是一種集結法。設原來高階模型方程式為”維狀態向量：U為R維控制向量。對上述高階模型的降階，就是尋求一個低階系統使狀態向量Z的維數P(N，X)又稱集結向量。在實際應用時，分量保留原始系統中狀態向量的物理意義，并在數值上盡量接近。第四章先進控制算法41精餾塔基本控制方案精餾塔是一個多變量對象，在許多個受控變量和操作變量中，選定一種變量配對，就組成了一種精餾塔的控制方案。解決精餾塔控制中的變量配對問題可歸結成以下三條準則：當僅需要控制塔一端的產品質量時，應當選用物料平衡方式來控制該產品的質量；塔兩端產品流量較小者，應當作為操縱變量去控制塔的產品質量

37、；當塔的兩端產品均需要按質量控制時，一般對產品純度較少雜質較多的一端的質量控制選用物料平衡控制；而含純產品較多，雜質較少的一端的質量控制選用能量平衡控制。當選用頂部產品餾出物流量D或底部采出液流量B作為操縱變量控制產品質量時，稱為物料平衡控制，而當選用頂部回流或再沸器加熱劑量來為操縱變量時，則稱為能量平衡控制。當頂部和底部產品均需符合質量規格時，可以使用兩個質量控制系統，分別按兩個產品指標進行控制，采用兩個產品質量控制的主要原因是操作接近規格限，從而使操作成本特別是能量消耗減少。這里我們要求塔頂采出液中丙烯占996，若只控制塔頂的質量就會造成能量損失很大，并且一旦受到干擾很難再恢復正常，所以采

38、用了控制塔頂塔底兩處的質量來確保丙烯的質量。基本控制方案：質量指標反饋控制方案。它是在進料成分和進料流量擾動時設置的，因此，進料量F不能選作控制手段，也就是說F是一個變量，所以，用一個單回路來控制，盡量使其流量穩定下來。要使精餾塔能夠F常工作，必須保證塔內壓力不能過高，冷凝器對壓力大小起著直接的作用，所以用測得塔頂的壓力去控制冷凝器液的閥的開度，使生產能夠正常運轉。回流罐液位的高低直接影響到塔頂采出量的多少，同時也影響到回流量，回流量的多少直接影響到塔頂產品的質量，所以，需要用回流罐的液位來控制D的量。同樣，塔底液位的高低影響塔底的曰采出量，塔底由于再沸器加熱，塔底流量受到影響，所以可用塔底液

39、位控制B，使塔底產品達到58。上升蒸汽量V和回流量是影響塔頂塔底采出物質量的最主要的因素。塔頂用第一塊板的溫度來控制，塔底盡量保持再沸器所給溫度穩定，用一個單回路控制它的流量。本次論文中只對礦和三。進行控制，所以設計了兩個反饋系統，兩個控制器。42精餾塔PID控制系統設計按偏差的比例，積分，微分控制簡稱PID控制。PID控制是過程控制中廣泛應用的一種控制。PID控制器的結構簡單，參數易于調整，在長期的工作實_踐中已經積累了豐富的經驗。特別是在工業過程控制中，人們常用PID調節PID調節器的控制規律為：式中“(f)是；ID調書器的輸出，eO)是P調節器的輸入，Kp為比例系數，z為積分時間常數，瓦

40、為微分時間常數。PID調節器的傳遞函數為圖4-1精餾塔系統方塊其中：圖4-2產品濃度仿真曲線圖分析：改變K，的值時，當K。(5000時對系統影響較小。從圖32所示的曲線可得，此時系統調節較為理想，但仍舊存在著較大的余差。結論：通過上述分析，在此過程中假設沒有引入干擾，微分環節的作用不明顯，為此我們取五。=0。采用簡單的控制理論很難實現較好的控制效果。由曲線可看到，只改變調節器的一個參數，塔頂和塔底產品的質量都發生了變化，系統存在著較大的關聯影響。且系統存在著較大的余差。所以采用簡單控制理論不會有滿意的控制效果。應尋找一種先進的控制方案實現對精餾塔的控制。43精餾塔解耦控制由于精餾塔系統存在著嚴

41、重的關聯影響，采用簡單控制不會有滿意的控制效果。所以擬采用精餾塔過程的解耦控制消除通道中的關聯，以便提高控制效果。典型的解耦控制系統如圖4-3所示，圖中F為解耦算式。圖4-3解耦控制方塊圖解耦算式F的作用是使G岱j F餌j的乘積為對角線矩陣，具體方法有如下三種：(a) 對角線矩陣法本法要求G(S)F(S)=diagGo(S)，即(b)可見，通過解耦使整個系統像原來單回路控制一樣。解耦算式F岱)可由上式求得預測模型的功能是根據對象的歷史信息和未來輸入控制其未來輸出這里只強調模型的功能而不強調其結構形式模型預測并不要求限定模型的形式，關鍵只在于模型的預測功能，在此意義上預測控制所利用的模型實際只是

42、服務于預測的信息處理方式。(2)滾動優化預測控制是一種優化控制算法，它通過某一性能指標的最優來確定未來的控制作用，這一性能指標涉及到系統未來行為，例如可以取對象輸出在未來采樣點上跟蹤某一期望軌跡的方差最小，預測控制的優化是一種有限時段的滾動優化，在每一采樣時刻優化性能指標只涉及到從該時刻起未來有限的時間而到下一采樣時刻這一優化時段同時向前推移因此預測控制不是一個對全局相同的優化指標，而是在每一時刻有一個相對于該時刻的優化性能指標，預測控制中優化不是一次離線進行而是反復在線進行，這就是滾動優化的含義，滾動優化使模型失配、時變、干擾等因素引起的不確定性能及時得到彌補，提高控制系統的效果。(3)反饋

43、校正由于實際系統中存在非線性、時變模型失配干擾等因素的影響在預測控制算法中，基于不變模型的預測輸出不可能與系統的實際輸出完全一致而在滾動實施優化過程中，又要求模型輸出與系統實際輸出保持一致，為此在預測算法中采用檢測實際輸出與模型輸出的誤差進行反饋校正來彌補這一缺欠，使滾動優化建立在預測模型輸出誤差反饋矯正的基礎上，這種利用實際信息對模型預測的校正是克服系統中存在的不確定性提高控制系統精度和魯棒性的有效措施。44預測控制算法的DMC實現DMC(Dynamic Matrix Contr01)控制包括以下三個部分預測模型在DMC中首先需要測定對象單位階躍響應的采樣值，其中T為采樣周期，對象的動態性能

44、可以近似為有限集合；加以描述，向量稱為模型向量，N則稱為建模時域。在k時刻，假定控制作用保持不變時對未來N個時刻的輸出有初始預測值。則當k時刻控制有一增量時，即可計算出在其作用下的未來時刻的輸出值：同樣，在M個連續的控制增量作用下未來各時刻的輸出值，其中Y的下標表示控制量變化的次數。第五章MATLAB仿真5.1 MATLAB介紹MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和simulink兩大部分。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，和 Math

45、ematic、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C,FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以

46、直接調用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。MATLAB的優勢如下：（1）友好的工作平臺和編程環境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本

47、的MATLAB提供了完整的聯機查詢、幫助系統，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言Matlab一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業的科技人員使用。

48、而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。（3）強大的科學計算機數據處理能力MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數學運算函數，可以方便的實現用戶所需的各種計算功能。函數中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數集包括從最簡單最基本的函數到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數。函數所能解決的問題其大致包括矩陣運算和

49、線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統計分析、工程中的優化問題、稀疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以及建模動態仿真等。（4）出色的圖形處理功能MATLAB自產生之日起就具有方便的數據可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒

50、有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數據的表現等），MATLAB同樣表現了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對許多專門的領域都開發了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領域的專家開發的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數據

51、采集、數據庫接口、概率統計、樣條擬合、優化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統辨識、控制系統設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統開發、定點仿真、DSP與通訊、電力系統仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實用的程序接口和發布平臺新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉換為獨立于MATLAB運行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網頁服務

52、程序還容許在Web應用中使用自己的MATLAB數學和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是MATLAB函數的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統、神經網絡、模糊邏輯、小波分析和系統仿真等方面的應用。（7）應用軟件開發（包括用戶界面）在開發環境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。5.2 C語言與MATLAB接口編程

53、介紹521 為什么要編寫C語言與MATLAB之間的接口函數MATLAB是矩陣語言，是為向量和矩陣操作設計的，一般來說，如果運算可以用向量或矩陣實現，其運算速度是非?？斓?。但若運算中涉及到大量的循環處理，MATLAB的速度的令人難以忍受的。解決方法之一為，當必須使用for循環時，把它寫為CMEX文件，這樣不必在每次運行循環中的語句時MATLAB都對它們進行解釋。對于大量現有的C或者Fortran程序可以無須改寫成MATLAB專用的M文件格式而在MATLAB中執行。對于那些MATLAB運算速度過慢的算法，可以用C或者Frotran語言編寫以提高效率。52.2 編譯器的安裝與配置 要使用MATLAB

54、編譯器，用戶計算機上應用事先安裝與MATLAB適配的以下任何一種ANSI C/C+編譯器：5.0、6.0版的MicroSoft Visual C+(MSVC)5.0、5.2、5.3、5.4、5.5版的Borland C+LCC(由MATLAB自帶，只能用來產生MEX文件)下面是安裝與配置MATLAB編譯器應用程序MEX的設置的步驟：(1)在MATLAB命令窗口中運行mex setup，出現下列提示：Please choose your compiler for building external interface (MEX) files:Would you like mex to locat

55、e installed compilers y/n?(2)選擇y，MATLAB將自動搜索計算機上已安裝的外部編譯器的類型、版本及所在路徑，并列出來讓用戶選擇：Select a compiler:1 Borland C+Builder version 6.0 in C:Program FilesBorland2 Digital Visual Fortran version 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio3 Lcc C version 2.4 in D:MATLAB6P5P1syslcc4 Microsoft Visual C/C+ ve

56、rsion 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio0 NoneCompiler:(3)選擇其中一種(在這里選擇了3)，MATLAB讓用戶進行確認：Please verify your choices:Compiler: Lcc C 2.4Location: D:MATLAB6P5P1syslccAre these correct?(y/n):(4)選擇y，結束MATLAB編譯器的配置。至于MATLAB與C語言的接口程序的編寫請參考專業文獻。523 GUI編程通常在開發一個實際的應用程序時都會盡量做到界面友好，最為常用的方法就是使用圖形界面。提

57、供圖形用戶界面的應用程序能夠使用戶的學習和使用方法容易。用戶不需要知道應用程序究竟是怎樣執行各種命令的，而只需要了解可見界面組建的使用方法：用戶也不需要知道命令是怎樣執行的，只要通過與界面交互就可以使指定的行為得以正確執行。在MATLAB中，圖形用戶界面是一種包含多種對象的圖形窗口。用戶必須對每一個對象進行頁面布局和編程，從而使用戶激活GUI每個對象時都能夠執行相應的行為。另外，用戶必須保存和發布所創建的GUI，使得GUI能夠真正的得到運用。MATLAB為用戶開發圖形界面提供了一個高效方便的集成環境：MATLAB圖形用戶界面環境GUIDE（MATLABs Graphical User Interface Development Environment）。上述所有工作都能夠使用GUIDE方便的實現。GUIDE主要是一個