基于 gPROMS 的理想内部热耦合精馏塔建模 及其 PID 控制计算

    精馏节能控制一直是国际节能控制研究的重点和热点。基于内部热耦合技术开发的内部热耦合精馏塔（ heat-integrated distillation column, HIDiC）是这些研究中比较引人注目的一个研究成果，其示意图如图 1 所示。内部热耦合精馏塔比常规精馏塔节能 30%以上，具有极大的应用前景。由于内部热耦合精馏过程具有强耦合、强病态、强不对称性、强反向响应等复杂非线性动态特性，其控制设计一直是阻碍该高效节能技术商业化的瓶颈问题。目前常规控制方案控制质量在高纯时难以适用，究其原因在于近似线性模型、基于数据辨识的统计模型等模型不能有效描述热耦合精馏过程的复杂动态特性，导致基于传统模型的各种先控方案的改善非常有限。建立一个严谨的内部热耦合精馏塔的机理模型，对于该过程的动态分析、系统优化、参数预测以及基于模型的控制系统的设计，都是必不可少的。更重要的是，内部热耦合精馏塔的实验研究通常非常昂贵和耗时，因此一个准确并且完备的模型的建立是进行真实实验前必须完成的工作。
技术路线
对于内部热耦合精馏塔的建模，可以大致分为两类，即基于流程模拟软件如 ASPEN PLUS的建模以及严格的机理建模。ASPEN PLUS 是一款应用广泛的商业软件，用于系统的过程建模。该软件由于具有庞大的物性数据库，以及工业过程的各种基本公式，使得系统仿真、能量质量守恒等的计算变得极其方便。早在 2003 年，荷兰的 Olujic 教授就开始用 ASPEN PLUS 对一个沸点相近物系的内部热耦合精馏系统进行了仿真建模。 但是，一个正常的内部热耦合精馏过程，必然涉及了大量的设计参数以及操作参数，而研究过程中往往需要追求在特定结构下的最优参数设计，来达到节能效果最优或者其他优化目标，甚至是多个优化目标都需要涉及。同时，各种各样的
约束条件也增大了优化和控制过程的难度。而基于 ASPEN PLUS 的仿真模型在面对如此复杂的优化控制背景的情况下，很难做到游刃有余，因此严格的机理建模对于处理以上复杂优化
控制问题就显得十分必要，有些时候我们必须借助更完备的数学方法来解决一些复杂的优化与控制难题。
针对上述理想内部热耦合精馏塔所需的模型编制和动态控制技术要点，本文考虑采用gPROMS 软件进行求解计算。 gPROMS（ general Process Modeling System） 是对工艺设备及流程进行仿真建模及设计优化的新一代通用过程模拟平台，起源于英国帝国理工学院，具有世界领先的过程模拟能力及多项特有的仿真技术。 其以下两项优势非常适合：
(1)、工程数学建模语言
gPROMS 开发模型采用针对过程工业特点而专门定制的工程数学语言，而非 FORTRAN 或C++等高级计算机语言，具有易于掌握、编写简单和调试方便的优势。在 gPROMS 建模环境中，过程（ PROCESS）分解为模型（ MODEL）和任务（ TASK），而 MODEL 及 TASK 又细分为参数（ PARAMETER）、单元（ UNIT）、变量（ VARIABLE）、边界条件（ BOUNDARY）、方程（ EQUATION）等特征，用户进行建模时，只需要以“填空”的方式将相关的模型信息逐个输入， gPROMS即可自动构建起整个数学模型。
(2)、动态模拟
gPROMS 的模型均为动态模型，稳态模拟仅仅是时间相关变量的时间导数为零的特殊状态。 gPROMS 中稳态模拟和动态模拟使用相同的数学模型和求解算法，因此无需建立两套过程模型，无需反复调整计算结果，大大减少使用者的无效工作，提高效率。