TE模型介绍(中文).docx

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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：

（1）

（2）

三水箱系统结构示意图

Strectureofthree-tanksystem

泵1

泵2

Q1

Q2

A

az1

az3

az2

Q13

Q23

Q2

S1

Sn

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0～1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（TennesseeEastmanProcess）是一个实际化工过程的仿真模拟。

它是由美国TennesseeEastman化学公司过程控制小组的J.J.Downs和E.F.Vogel[2]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，可以放心的在其上面进行方案可行性和正确性的测试。

Product1，产品1

TE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）

Product2，产品2

A（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

1

50/50

7038kgh-1G和7038kgh-1H

2

10/90

1048kgh-1G和12669kgh-1H

3

90/10

10000kgh-1G和1111kgh-1H

4

50/50

最大生产率

5

10/90

最大生产率

6

90/10

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，1-4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

XMV1

63.053

0

5811

Kgh-1

E流量

XMV2

53.980

0

8354

Kgh-1

A流量

XMV3

24.644

0

1.017

kscmh

AC混合流量

XMV4

61.302

0

15.25

kscmh

压缩循环阀

XMV5

22.210

0

100

%

放空阀

XMV6

40.064

0

100

%

分离器液体流量

XMV7

38.100

0

65.71

m3h-1

汽提塔液体流量

XMV8

46.534

0

49.10

m3h-1

汽提塔蒸汽阀

XMV9

47.446

0

100

%

反应器冷凝水流量

XMV10

41.106

0

227.1

m3h-1

冷凝器冷却水

XMV11

18.114

0

272.6

m3h-1

搅拌速度

XMV12

50.000

150

250

rpm

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0~100之间。

基础值即XMV变量的初始值，XMV变量的范围为0~100。

在实际过程中，变量的低限为XMV（i）=0，高限为100。

我们在研究过程中可以使这些变量超过0~100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

XMEAS1

0.25052

kscmh

D物料流量

XMEAS2

3664.0

Kgh-1

E物料流量

XMEAS3

4509.3

Kgh-1

A、C混合物料流量

XMEAS4

9.3477

kscmh

回收流量

XMEAS5

26.902

kscmh

反应器进料率

XMEAS6

42.339

kscmh

反应器压力

XMEAS7

2705.0

kPagauge

反应器液位

XMEAS8

75.00

%

反应器温度

XMEAS9

120.40

oC

放空率

XMEAS10

0.3372

kscmh

产品分离器温度

XMEAS11

80.109

oC

产品分离器液位

XMEAS12

50.000

%

产品分离器压力

XMEAS13

2633.7

kPagauge

产品分离器出口流量

XMEAS14

25.160

m3h-1

汽提塔液位

XMEAS15

50.000

%

汽提塔压力

XMEAS16

3102.2

kPagauge

汽提塔出口流量

XMEAS17

22.949

m3h-1

汽提塔温度

XMEAS18

65.731

oC

汽提塔蒸汽流量

XMEAS19

230.31

kgh-1

压缩机工作功率

XMEAS20

341.43

kw

反应器冷却水出口温度

XMEAS21

94.599

oC

分离器冷却水出口温度

XMEAS22

77.297

oC

过程色谱测量值

反应器流量色谱

组分

变量名

基础值

单位

A

XMEAS23

32.188

Mol%

B

XMEAS24

8.8933

Mol%

C

XMEAS25

26.383

Mol%

D

XMEAS26

6.8820

Mol%

E

XMEAS27

18.776

Mol%

F

XMEAS28

1.6567

Mol%

放空气体色谱

组分

变量名

基础值

单位

A

XMEAS29

32.958

Mol%

B

XMEAS30

13.823

Mol%

C

XMEAS31

23.978

Mol%

D

XMEAS32

1.2565

Mol%

E

XMEAS33

18.579

Mol%

F

XMEAS34

2.2633

Mol%

G

XMEAS35

4.8436

Mol%

H

XMEAS36

2.2986

Mol%

产品流量色谱

组分

变量名

基础值

单位

D

XMEAS37

0.01787

Mol%

E

XMEAS38

0.83570

Mol%

F

XMEAS39

0.09858

Mol%

G

XMEAS40

53.724

Mol%

H

XMEAS41

43.828

Mol%

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）

2.0m3

24.0m3

反应器温度

无

150℃

无

175℃

产品分离器液位

30％

（3.3m3）

100%

（9.0m3）

1.0m3

12.0m3

汽提塔基础液位

30％

（3.5m3）

100%

（6.6m3）

1.0m3

3.0m3

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8－16h-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6－10h-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施的产品。

尽管如此，对于A物料进料流率和E物料进料流率则保持相对少的持率；而C物料持率则非常的少。

对于那些只有很少持率的组分来说，在这个过程中，它们的进料流率的变化即是生产过程中产品需求的变化。

这四个流量中的三个的变化是非常重要的，特别是C物料的进料流率，必须满足最小值变化应当满足在12－80h-1的范围之内；对于A和D进料，他们应当被保持而避免在8－16h-1的范围内；进料E的变化不是最主要的问题。

文献上没有提供任何的数学方法来评估控制这个控制过程的性能。

虽然许多动态性能指标在上述章节中已经有描述过，但是在可能的控制策略和技术中，折中的方案包含了比数学模型更多的信息。

测量失败或漂移的容错性，现场操作工的不稳定性，硬件设备的补偿性、持久性等等问题，使得建立控制策略的数学表达式变得相当的困难。

各种各样的过程控制技术在设定值改变下，以及扰动的载入中，可以进行测试和评价。

这些设定值和扰动反映了一系列测试，这是可以被用来进行对比的。

每一个扰动都反应了这个过程不同的方面。

这个过程包含了足够的操作变量，它已经远远超过了控制一个过程产品质量等的最优化所必须的变量的数目。

这个生产过程的操作消耗主要是由于原料的流失决定的。

原料的流失主要存在于放空气体、产品流体和可逆的反应中。

这个过程的经济消耗主要是由原料的消耗，放空气体中残留的产品和原料，以及处理F产品的消耗组成的。

压缩机工作的消耗和提馏单元的消耗也被包含在上述消耗中。

整个TE过程可以被用来进行各种各样的过程研究，主要包括装置的控制策略设计，多变量控制，过程优化，预测控制，预估控制，非线性控制，过程诊断和教学用途。