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摘 要

绝大部分加氢反应过程本质上都是复杂的多变量、多时滞系统，输入变量与输出变量之间的相互关联，以及各回路不同滞后时间的存在，给多变量PID控制系统的研究工作带来较大的困难。本文针对典型的化工过程中的苯胺加氢制环已胺为对象，在传统PID控制的基础上对控制方法进行分析，系统地研究了两种控制策略，变结构控制和广义预测控制。

本文采用了两种控制策略，变结构控制和广义预测控制对加氢反应过程系统进行控制。变结构控制，它是一种特殊的控制方式，强迫系统的状态变量沿着人为规定的相轨迹滑到期望点。广义预测采用了多步预测、滚动优化和反馈校正的控制策略，设计了基于2I2O的CARIMA模型的广义预测控制策略。在本文中，两种控制策略通过控制反应过程的温度和反应釜内压力变化控制反应过程实现解耦控制。

关键词：加氢反应、多变量、变结构控制、广义预测控制

Design of multivariable control strategy for hydrogenation reaction process

Abstarct

The vast most hydrogenation process essentially are complex multi variable and multi delay systems, the relationship between input variables and output variables is interrelated,and the existence of different time-delay in the loops, there are greater difficulties for the multivariable PID control system research to work. The typical chemical process of aniline hydrogenation to ring for has amine as the object, on the basis of traditional PID control to control method improved, systematically studied two kinds of control strategy, variable structure control and generalized predictive control.

In this paper, two control strategies, variable structure control and multivariable generalized predictive control are used to control the hydrogenation reaction system. The variable structure control, it is a special control mode, the state variable of the forced system is expected to slide due to the point of the artificial phase. The generalized predictive control strategy of the 2I2O based CARIMA model is designed by using the control strategy of multi-step prediction, a generalized predictive control strategy for CARIMA based on 2I2O is designed. In this paper, Two control strategies are used to control the reaction process by controlling the temperature of the reaction process and the change of the pressure in the reactor.

Key Words: hydrogenation reaction、multivariable、variable structure control 、generalized predictive control

目 录

摘 要 I

Abstarct II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 间歇反应过程控制分析 2

1.2.1间歇反应过程控制的难点 2

1.2.2间歇反应过程控制要求 3

1.3广义预测控制 4

1.4本文的主要工作与研究内容 5

第二章 苯胺加氢过程机理建模 6

2.1 MATLAB简介 6

2.2苯胺加氢过程及机理建模 7

2.3模型MATLAB程序实现 9

2.4本章小结 9

第三章 苯胺加氢过程的传统PID控制 10

3.1模拟PID控制器 10

3.2数字PID控制器 10

3.3.1位置式PID控制算法 11

3.3.2增量式PID控制算法 12

3.3 变结构PID控制策略设计 13

3.4 MATLAB程序实现 14

3.5仿真结果分析 14

3.6本章小结 17

第四章 苯胺加氢过程广义预测控制策略设计 18

4.1 广义预测控制原理 18

4.2苯胺加氢过程广义预测控制方案 25

4.3仿真结果与分析 26

4.4本章小结 29

第五章 总结与展望 30

参考文献 31

附 录 33

致 谢 37

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1897年，法国人P.萨巴蒂埃首先研究了在镍催化剂存在下不饱和有机化合物的加氢反应。1902年，在德国建成了第一套加氢工业装置，把具有不饱和碳碳双键的液态油脂，在镍催化剂存在下，经过加氢过程生产饱和的固态脂。1904年，俄国的Β.Н.伊帕季耶夫提出在加压下进行加氢过程。此后，加氢过程的应用获得迅速的发展。1913年，用哈伯-博施法由氢气和氮气合成氨。1923年，先后开发了用费托法由氢和一氧化碳合成液体燃料，和由一氧化碳高压加氢合成甲醇等方法^[1]。1926年，用柏吉斯法由煤加氢液化制取液体燃料。60年代后，在炼油厂加氢处理方法广泛用于提高的油的质量。加氢过程已经成为化学工业和炼油工业中最重要的反应过程之一。苯胺加氢制环已胺是众多加氢反应过程种类之一，本文以苯胺加氢为对象开展研究。

环己胺又叫六氢苯胺，是一种重要的有机化工原料和精细化工中间体，广泛应用于橡胶助剂、食品添加剂、防腐、造纸、塑料加工及纺织工业中^[2]。目前，我国环己胺行业发展势头良好，我国环己胺市场在不断扩大以及出口增长，我国环己胺行业站在一个新的发展高度。现在，多数化工企业采用单回路控制，不考虑各个量相互之间的关系，在生产工艺上采用的化学反应器是搅拌釜式反应器，生产工艺方法主要有苯胺催化加氢法、硝基环己烷还原法、氯代环己烷催化氨解法、以Ni/硅藻土等为催化剂的环己醇气相氨化法和环己酮催化氨解法等，在生产过程中属于间歇式，属于间歇式反应。

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