【文章內(nèi)容簡介】 mics進行動態(tài)仿真設(shè)置好PID控制器直接運行仿真，結(jié)果如圖212所示。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，所以仿真圖所示的變量還是處于穩(wěn)態(tài)。圖212 不加擾動動態(tài)仿真圖將穩(wěn)態(tài)仿真計算結(jié)果中輸入混合物的流率修改，添加組分擾動，如圖213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。再次運行仿真，得到仿真結(jié)果如圖所示。由圖看到，加入擾動后，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)過三小時后甲基環(huán)乙烷的純度重新達到98%， lbmol/hr。圖213加擾動后動態(tài)仿真圖第三章 CSTR模擬 CSTR模型 CSTR 簡介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)動力學(xué)類反應(yīng)器，在仿真過程中根據(jù)化學(xué)動力學(xué)計算反應(yīng)結(jié)果。CSTR原理：在一個密閉罐體內(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)投料運行。新進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較低狀態(tài)?！　STR優(yōu)點：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會。CSTR性質(zhì)：釜內(nèi)達到理想混合。可模擬單、兩、三相的體系，并可處理固體?？赏瑫r處理動力學(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、動力學(xué)方程和平衡關(guān)系，計算所需的反應(yīng)器體積和反應(yīng)時間，以及反應(yīng)器熱負荷。圖31 CSTR的連接圖CSTR的連接如圖31所示，至少需要一股進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。 CSTR仿真模型圖32 CSTR系統(tǒng)示意圖本章仿真在如圖所示的非恒溫CSTR(Continuous stirred tank reactor，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器)系統(tǒng)上實現(xiàn)。反應(yīng)器中實現(xiàn)一階放熱反應(yīng)，且假定其中為全混流，物理特性恒定。該系統(tǒng)有一個供給流，一個冷卻流和一個產(chǎn)品流。系統(tǒng)可視為由下式表示的5輸入2輸出的一階動態(tài)非線性系統(tǒng)。 （31） （32） 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擾動輸入：供給流濃度()和溫度()、產(chǎn)品流流速()和冷卻流溫度()，及一個操縱變量冷卻流流速()。輸出變量包括產(chǎn)品流的濃度()和溫度()。利用控制通過調(diào)節(jié)冷卻水的流速()可以控制出口處的溫度(T)，這里采用如下比例反饋控制， （33） CSTR仿真模型參數(shù)上述模型中的參數(shù)取值如表31所示。表31 CSTR模型參數(shù)仿真中，CSTR由下面過程擾動來激勵， （34） 其中為標準差，為標準白噪聲過程，為擾動自回歸系數(shù)，這里只考慮非自相關(guān)的擾動，即。擾動輸入變量的真實值可表示為，為各變量操作點值。每一個過程變量的測量值都可表示為，其中為測量噪聲的標準差，為標準白噪聲過程。利用公式和上述擾動激勵，即可實現(xiàn)CSTR系統(tǒng)的仿真。各變量的操作點值/穩(wěn)態(tài)值為：，，。比例反饋控制系數(shù)為。此時測量噪聲和過程噪聲的標準差分別為：表32 CSTR仿真過程的測量噪聲和過程擾動方差F4e6CAin1e2TAinTCinFC1e20CA0T4e40在上述仿真條件下，可得出CSTR正常和故障狀態(tài)的仿真數(shù)據(jù)，故障主要包括傳感器/執(zhí)行器故障、過程擾動過大故障及對象故障。對象故障主要指反應(yīng)物不純和冷卻絲臟污，可分別通過為和施加一波動隨機系數(shù)來實現(xiàn)，由于它們與過程擾動過大的作用本質(zhì)相同，所以這里不考慮這兩種故障，即兩系數(shù)為定常數(shù)1。 CSTR模型的建立與仿真 Simulink簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 使用Simulink建立仿真模型在這一步根據(jù)前面CSTR仿真模型質(zhì)量平衡和能量平衡方程組，使用Simulink模型庫各個組件建立起仿真模型。七個輸入輸出量、、中、四個變量是過程變量，值為，其中為穩(wěn)態(tài)值，為測量噪聲的標準差（由于仿真過程沒有實際測量值，設(shè)為0），為標準白噪聲過程，這樣這四個變量由穩(wěn)態(tài)值和高斯白噪聲兩部分組成，在建模的過程的過程中作為一個子系統(tǒng)構(gòu)造，以F為例，構(gòu)建如圖33所示。常量Constant3的值為F的穩(wěn)態(tài)值，設(shè)為1，左邊的的高斯白噪聲產(chǎn)生器產(chǎn)生的擾動波形如圖34所示。圖33 過程變量子系統(tǒng)圖34 高斯噪聲波形圖將所有變量構(gòu)建完成以后，根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡方程組搭建模塊如圖35所示，將Ca、T、Fc的值連接示波器，以便觀察仿真結(jié)果。圖35 Simulink建立的CSTR模型在Model Properties菜單里設(shè)置各變量的穩(wěn)態(tài)值和各個參數(shù)值，如圖36所示。圖36 CSTR模擬穩(wěn)態(tài)值 Simulink仿真CSTR結(jié)果以上建模和參數(shù)設(shè)置完成后，點擊運行仿真，得到圖37示仿真結(jié)果。圖37 CSTR模擬結(jié)果由動態(tài)仿真結(jié)果圖可見通過Fc的反饋比例控制，該CSTR反應(yīng)器動態(tài)仿真基本實現(xiàn)，整個仿真裝置能夠正常運作。但是由于四個過程變量供給流濃度()和溫度()、產(chǎn)品流流速()和冷卻流溫度()等參數(shù)的動態(tài)擾動較大，導(dǎo)致在CSTR的出料口，~。產(chǎn)品流的溫度在366K左右波動。如果將以上仿真時四個過程變量的擾動全部減小，也就是將每個變量產(chǎn)生模塊的高斯白噪聲發(fā)生器的方差減小，具體值如表所示。表33 修改后過程變量擾動值參數(shù)FCAinTAinTCin再次運行仿真，仿真結(jié)果如圖38所示。可以看到由于供給流濃度()和溫度()、產(chǎn)品流流速()和冷卻流溫度()擾動的減小，產(chǎn)品流的濃度和溫度相比較之前波動性減小，輸出較穩(wěn)定。圖38 修改擾動后的模擬結(jié)果 模擬結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫 Matlab里的S_functionS_function函數(shù)是System Function的簡稱，用它來寫自己的simulink模塊。用S函數(shù)可以利用matlab的豐富資源，而不僅僅局限于simulink提供的模塊，而用C或C++等語言寫的S函數(shù)還可以實現(xiàn)對硬件端口的操作。S_function是一個動態(tài)系統(tǒng)的計算機語言描述，在MATLAB里，用戶可以選擇用m文件編寫，也可以用c或mex文件編寫。S_function提供了擴展Simulink模塊庫的有力工具，它采用一種特定的調(diào)用語法，使函數(shù)和Simulink解法器進行交互。最廣泛的用途是定制用戶自己的Simulink模塊。它的形式十分通用，能夠支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。Simulink的仿真過程有兩個階段：一個為初始化，這個階段主要是設(shè)置一些參數(shù)，像系統(tǒng)的輸入輸出個數(shù)、狀態(tài)初值、采樣時間等；第二個階段就是運行階段，這個階段里要進行計算輸出、更新離散狀態(tài)、計算連續(xù)狀態(tài)等等，這個階段需要反復(fù)運行，直至結(jié)束。Simulink在每個仿真階段都會對S_function進行調(diào)用，在調(diào)用時，Simulink會根據(jù)所處的仿真階段為flag傳入不同的值，而且還會為sys這個返回參數(shù)指定不同的角色，也就是說盡管是相同的sys變量，但在不同的仿真階段其意義卻不相同，這種變化由simulink自動完成。在matlab的workspace里打edit sfuntmpl(matlab自己提供的s函數(shù)模板)，第一行是這樣的：function [sys,x0,str,ts]=sfuntmpl(t,x,u,flag)。其中t是采樣時間，x是狀態(tài)變量，u是輸入（是做成simulink模塊的輸入）,flag是仿真過程中的狀態(tài)標志（以它來判斷當(dāng)前是初始化還是運行等）；sys輸出根據(jù)flag的不同而不同，x0是狀態(tài)變量的初始值，str是保留參數(shù)（一般在初始化中將它置空,str=[ ])，ts是一個12的向量，ts(1)是采樣周期，ts(2)是偏移量。在Oracle里面建立一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)，以便存儲仿真結(jié)果，服務(wù)器名XSCJ用戶名system，密碼wsh2。在數(shù)據(jù)庫XSCJ中建立一張表（表名為CSTR_SIMULINK），用來存儲實時仿真的數(shù)據(jù)。在Simulink的Model Properties菜單里建立一個與服務(wù)器XSCJ的連接，代碼如下：global connconn=database(39。XSCJ39。,39。system39。,39。wsh239。)建立一個模塊觸發(fā)子系統(tǒng)，將需要輸入到Oracle的數(shù)據(jù)鏈接到該子系統(tǒng)上，使用一個矩形脈沖發(fā)生器作為觸發(fā)子系統(tǒng)的觸發(fā)器，幅度值設(shè)為1，周期為1秒(每秒鐘執(zhí)行一次將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫)。在觸發(fā)子系統(tǒng)里建立一個S_function。圖39 S_function結(jié)構(gòu)圖。function [sys,x0,str,ts]=s_function(t,x,u,flag)switch flag, %系統(tǒng)函數(shù)狀態(tài)標志%Initialization case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes。%Outputs case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u)。 %Unhandled flags case {1, 2, 4, 9 } sys = []。%Unexpected flags otherwise error([39。Unhandled flag = 39。,num2str(flag)])。 %返回錯誤end%mdlInitializeSizesfunction [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes。 = 0。 = 0。 = 0。 = 2。 %輸入數(shù)為2 = 1。 = 0。sys=simsizes(sizes)。x0=[]。str=[]。ts=[]。%mdlOutputsfunction sys=mdlOutputs(t,x,u) global conn。 %與數(shù)據(jù)庫連接insert(conn,39。CSTR39。,{39。CA39。,39。T39。,39。DAT39。},{u(1),u(2),datestr(now)})。 %結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫表sys=[] 運行仿真后數(shù)據(jù)庫存儲仿真結(jié)果的表CSTR_SIMULINK如圖所示。，溫度在366K之間波動，與前面的用示波器觀察結(jié)果一致。圖310 Oracle存儲的CSTR模擬結(jié)果數(shù)據(jù)第四章 乙醇發(fā)酵模擬 乙醇發(fā)酵 工業(yè)乙醇發(fā)酵方法發(fā)酵法由于其高效、綠色無污染的特點被廣泛應(yīng)用。根據(jù)發(fā)酵料液注入發(fā)酵罐的方式不同，可以將酒精發(fā)酵的方式分為間歇式、半連續(xù)型、連續(xù)型3種。淀粉原料生產(chǎn)酒精的連續(xù)發(fā)酵，在國內(nèi)外早有研究，由于雜菌污染問題沒有很好的解決，為得到普及和推廣。近年來由于發(fā)酵理論研究有所發(fā)展，尤其在淀粉質(zhì)原料和產(chǎn)酒精的過程中采用了連續(xù)蒸煮、連續(xù)糖化和液體曲新工藝，給連續(xù)發(fā)酵創(chuàng)造了條件。不斷發(fā)展的連續(xù)發(fā)酵工藝是淀粉質(zhì)原料連續(xù)發(fā)酵法生產(chǎn)酒精工藝日趨完善，操作更加簡便，取得了更顯著的成績。清夜發(fā)酵是典型的連續(xù)發(fā)酵，該工藝要求糖化液中不含懸浮物。連續(xù)操作可以降低發(fā)酵的平均時間，提高生產(chǎn)能力，不阻塞精餾塔、減少環(huán)境污染。因此得以大力發(fā)展。 工業(yè)發(fā)酵流程以某化工原料有限公司的乙醇連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)為背景，其生產(chǎn)