5646字开题报告流化床干燥器模拟系统的设计与实现

流化床干燥器模拟系统的设计与实现

开幕报告

内容

一、选题背景

二.研究的目的和意义

第三，本研究涉及的主要理论

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

(2)本文的研究框架

五、写作大纲

六、本文的研究进展

七、读过的文学作品

一、选题背景

干燥技术对我国具有重要的经济意义。烘干机已广泛应用于工业、农业和制药行业。在人们的生产和生活中，有各种各样的材料需要干燥，如玉米、大豆和其他粮食作物。木材、药材和棉花等经济作物；燃料、煤、铁和铜等矿物；纺织品、橡胶制品及其他成品。干燥技术是工业过程中每种产品生产的一个非常重要的环节。高质量地完成干燥过程对后续生产过程至关重要。在现代工业生产过程中，特别是在食品生产和药品生产过程中，烘干机是工业上最常见、最耗能的加工设备之一。自20世纪70年代以来，随着科学技术的进步，干燥技术有了很大的发展，这也使人们认识到干燥技术对我们生活和生产的重要性，并且随着科学技术的发展，干燥技术和干燥设备也有了很大的发展。随着时代的进步，受经济危机和能源危机的影响，企业对工厂生产技术和设备的要求越来越高，对干燥机技术提出了更高的要求。到目前为止，干燥技术和干燥理论都取得了很大的进步。此外，根据目前的数据，仿真技术已经广泛应用于科学研究和技术应用。仿真技术通常融合了计算机技术、自动控制技术、网络技术等多种技术领域的知识。它基于数学原理、控制原理、系统技术原理等相关应用领域。它以各种数学理论和计算机应用技术为手段，利用系统数学仿真模型对真实或虚假系统进行仿真研究。在当前的工业控制技术中，仿真技术通常将控制策略放置在具有仿真受控对象的平台上进行仿真，以达到检验控制策略有效性和评估受控对象模型和算法的目的。从20世纪40年代至今，PID回路的单输入单输出反馈控制系统已广泛应用于工业领域。基于经典的PID控制理论，大多数采用频域分析方法设计控制系统。即使在集散控制系统技术被广泛应用的今天，PID控制回路仍被广泛应用，约占整个控制系统回路的90%。另外10%一般采用串级或其他经典控制策略，但在当前的工业中，经常会遇到一致性强、非线性和大滞后的过程对象，工业领域的核心生产过程对象也具有这些特点，因此迫切需要先进的控制策略。随着计算机技术的发展，以前遇到的和无法解决的问题可以在计算机上解决。在20世纪80年代，出现了一些软件工具包来模拟一些先进的控制策略。目前，已形成了以模型辨识、参数优化与整定、算法优化与稳定性为研究对象、多目标控制为理论体系的先进控制策略。

先进的控制方法与以往经典的PID控制有很大不同。先进的控制算法一般基于控制对象的模型，如模型预测控制等。先进控制算法一般应用于过程对象复杂的工业现场，如非线性、大滞后、各种控制变量与受控变量之间关系复杂等。这在工业现场经常遇到。然而，到目前为止，由于工业现场过程和安全要求的不确定性，先进控制策略在现代工业领域的应用仍然相对较少，因此我们开发的具有实时过程对象的仿真平台将对先进算法在工业领域的应用和我国的经济发展有很大的帮助。考虑到工业领域的安全性和经济性，在工业领域进行模拟实验是不现实的。因此，如果先进控制能够在类似于实际工业领域的仿真平台上进行大量的实验和数据研究，将会对控制的安全性达到很好的效果。也正因为如此，仿真技术被广泛应用于过程控制领域，并取得了良好的效果，得到了技术人员和工艺人员的认可。然而，我国仿真系统和仿真软件的开发一般需要大量的人力物力，开发周期相对较长，扩展性不是很好，不利于广泛推广。

二.研究的目的和意义

随着西门子PCS7技术的不断发展和进步，仿真技术与工业现场广泛使用的全集成自动控制系统PCS7相结合。利用PCS7强大的仿真能力，可以很容易地实现更真实的工业现场仿真。同时，作为一种广泛应用的工业控制软件，对PCS7的培训和教育将具有更加现实的意义。流化床干燥系统本身是一组复杂的过程对象。很少有专业人员熟悉整个干燥过程的操作。流化床干燥过程的自动控制水平低，控制方法简单落后，导致流化床干燥的实际运行不太理想，干燥物料的湿度远远低于其预期效率。为了解决上述问题，结合丰富的现场实际干燥工程培训和研究，利用仿真技术开发流化床干燥仿真系统，对于教学研究和人员培训，提高操作人员素质，在仿真系统的基础上进行过程控制优化操作和关键控制技术研究，探索研究流化床干燥技术过程的最佳解决方案具有重要意义。

第三，本研究涉及的主要理论

流化床干燥器技术起源于20世纪20年代。流化床干燥器技术在20世纪40年代广泛应用于美国工业。直到20世纪50年代，这项技术才在中国发展起来。在流化床干燥器的干燥过程中，将湿物料放在隔板上，将热空气体吹入干燥器的下部，使湿物料悬浮，使湿物料和热气体充分接触，然后干燥湿物料。流化床干燥器传热效果好，干燥后物料的温度分布相对均匀，设备投资相对较小，维护方便，因此具有广泛的应用前景。随着改革开放的发展，中国的工业也取得了很大的进步。与此同时，烘干机的研究团队也在扩大。目前，我国约有50所研究流化床干燥技术的研究机构和大学，涉及的领域也非常广泛。例如，在化学工业、医药、食品、轻工业和食品等许多行业，有600多家流化床干燥设备制造商。我国流化床干燥的研究已经形成了一支很好的研究队伍。通过他们的努力，这些研究者在干燥技术的基础、工业和技术研究方面取得了巨大的成就，从而使我国的干燥技术达到了国际先进水平。我国生产的烘干机也取得了很大的进步，一些型号已经出口到国外。在工业生产过程中，烘干机的重要性不仅表现在它对生产过程的效率和能耗的影响上，而且烘干物料的质量一般对生产过程中的后续工序有很大的影响，因此烘干过程的质量也直接影响最终产品的质量，从而影响工厂产品的市场竞争力和经济效益。目前，我国许多经济产品在许多方面已经达到甚至超过国际先进水平。然而，由于干燥技术的落后，我国产品的一些性能指标达不到要求，在国外产品的竞争中处于劣势。从这些方面可以看出，我国流化床干燥技术的研究和发展还有很长的路要走，需要我们共同努力。

模拟技术(Simulation technology)是基于系统论、控制论、信息技术等原理的综合技术，使用专用设备和计算机作为应用开发工具，使用系统对象模型模拟实际或想象的系统，进行动态测试研究[2】。模拟技术最早出现在20世纪50年代。它首次应用于军事领域的研究和探索。到目前为止，仿真技术不仅应用于军事领域，还广泛应用于化工、医药、电力、钢铁等各个工业领域。近十年来，随着计算机技术和仿真理论技术的发展，仿真技术不仅应用于工程应用领域，还延伸到非工程领域，如教育培训领域、新能源领域、生态环境领域、生物博士领域等。近几十年来，仿真技术在我国取得了长足的进步，并经历了一个逐渐被认可和重视的过程。到目前为止，仿真技术已经应用到我国人民生活和工业的各个方面，如:从工程设计、科学研究和决策、操作优化到教育培训等。这些都显示了仿真系统在再现现实、智能分析、决策优化等方面的优势。目前常用的仿真技术包括物理仿真技术、半物理仿真技术和虚拟仿真技术。然而，对于要求高安全和经济效益的工业场地，使用虚拟仿真技术代替物理仿真。在虚拟仿真技术中，应用最广泛的仿真软件是常用的MATLAB软件，它具有编程效率高、矩阵和数组运算高效方便、用户使用方便、扩展性好等优点，但应用于工业过程仿真领域，与PCS7软件相比也有其不足之处。目前，国内很少使用PCS7软件作为工业过程仿真软件。西门子的PCS7工业控制软件广泛应用于整个工业控制领域，其在工业领域的应用相对成熟。基于西门子的整个工业自动化控制系统，结合先进的完全集成控制系统PCS7仿真系统，开发的仿真系统平台将更加贴近工业领域的实际情况，对技术人员的学习和调试具有更实际的指导意义。

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

流化床干燥器干燥技术成熟，干燥物料质量好，在我国应用广泛。本文在对PCS7仿真系统深入研究和丰富实际工业控制经验的基础上，开发了基于PCS7平台的流化床干燥器仿真系统，以完成对过程控制学习者或干燥器技术研究者的培训和科研，以及流化床干燥器仿真系统平台动态运行下流化床干燥器系统性能参数的优化控制研究。完成以下任务:

1)深入了解流化床干燥器工艺系统的结构特点和系统组成，系统介绍流化床干燥器工艺的具体操作机理，分析和描述流化床干燥器的各种操作单元和部件。

2)介绍了建立数学模拟模型的一般步骤和建立流化床干燥器数学模拟模型的指导思想。根据机理建模方法和假设方法，分别建立进料口物料流量、换热介质流量和热量空气体流量的数学模拟模型，并基于质量守恒和能量守恒建立流化床干燥器内部的状态方程。

3)在建立流化床干燥器系统数学模型的基础上，分析并建立了流化床干燥器各单元的控制回路，介绍了模型预测控制的基本概况。在此基础上，设计并建立了流化床干燥器整个系统的控制方案。

4)在PCS7平台上设计并建立了流化床干燥器的仿真模型。通过介绍仿真平台的指导思想和在PCS7上建立仿真模型的优势，完成了工程师站的控制程序和WINCC组态监控画面。

5)介绍了完成基层控制回路模型预测优化控制和PID参数自整定控制的方案。

6)在建立流化床干燥器仿真系统平台的基础上，进行了动态试验，验证了系统的稳定性和动态回路的特性，验证了模型预测控制在流化床干燥器中应用的优越性。

(2)本文的研究框架

本文的研究框架可以简单表达如下:

五、写作大纲

摘要3-4

摘要4-5

1导言8-12

1.1选题的背景和意义8-9

1.2项目9-11的研究现状

1.2.1流化床干燥器技术的发展现状9-10

1.2.2仿真技术的研究现状10-11

1.3本课题的研究内容11-12

2流化床干燥器系统工艺流程和控制要求12-17

2.1流化床干燥器的分类12-13

2.2流化床干燥器工艺流程13-14

2.3流化床干燥器14-15主控系统和设备的选择

2.3.1进料单元14

2.3.2热交换单元14

2.3.3空输气装置14-15

2.3.4材料输出单元15

2.4流化床干燥器15-17的控制要求

3流化床干燥系统数学模拟模型的建立17-24

3.1建模的一般步骤17-18

3.2建立系统整体数学仿真模型的概况18-19

3.3系统每个子单元的建模19-20

3.3.1进料口19中物料流动的数学模拟模型

3.3.2传热介质流动的数学模拟模型19-20

3.3.3热空气流数学模拟模型20

3.4 20-24型流化床干燥器系统的建立

3.4.1质量平衡方程21-22

3.4.2能量守恒方程22-23

3.4.3流化床干燥器23-24模拟数学模型的建立

4流化床干燥器系统24-30先进控制方案的设计

4.1流化床干燥器24-25最佳控制方案的设计

4.2模型预测控制概述25-27

4.2.1模型预测控制的基本原理25-26

4.2.2预测模型26

4.2.3滚动优化26

4.2.4反馈校正26-27

4.3系统中各单元回路的控制策略设计27-28

4.3.1进料口湿物料流量控制单元27

4.3.2热交换介质流量控制单元27-28

4.3.3交付空空气流量控制单元28

4.4系统总体控制方案设计28-30

5基于PCS7 30-50的流化床干燥器仿真平台的设计与实现

5.1模拟平台的设计指南30

5.2 S7pc机在30-33仿真平台上的应用

5 . 2 . 1pc机S7软件系统介绍30-32

5 . 2 . 2 S7平台32-33下仿真系统的特点

5.3流化床干燥器模拟系统在S7平台33-37上的实现

5.3.1模拟平台33-34的技术路线

5.3.2上位机S7软件平台34-35的总体描述

5 . 3 . 3 CFC功能图35-36的建立

5.3.4证监会职能表36的建立

5 . 3 . 5 WinCC配置屏幕36-37的建立

5.4仿真系统平台37-50上PID和MPC控制模块的参数优化和整定

5.4.1回路37-44中PID控制模块的参数优化和整定

5.4.2基于PCS7仿真平台的44-50模型预测控制的实现

6模拟实验与分析50-57

6.1模拟系统自动运行50-51

6.2系统主要参数分析和工艺参数优化实验51-57

6.2.1系统主要参数分析51-54

6.2.2过程参数优化控制实验54-57

7结论和展望57-59

7.1结论57

7.2展望57-59

参考文献59-61

附录61-63

学位申请期间的研究成果和发表的学术论文63-64

致谢64

六、本文的研究进展(略)

七、读过的主要文献

[1]张方杰。基于西门子S7[的炉温预测控制。内蒙古:内蒙古科技大学，2012年5月-10日

[2]姚俊，马·宋会。Simulink建模与仿真。Xi安:西安电子科技大学出版社，2002，1-8

陈316清，周建平夏回路。[；流化床干燥器的研究进展。中国制药设备，2009，(3):10-14

[4]许全志，杨金浩。数学建模。北京:高等教育出版社，2003，2-6

阳明和马萍。系统建模与仿真[。哈尔滨:哈尔滨工业大学控制与仿真中心，2005.25-26

张文凤。旋转干燥窑的建模与智能控制[。湖南工业大学:湖南工业大学，2010年12月13日

姚远。电站锅炉燃烧系统优化策略研究。辽宁:辽宁科技大学，2013。36-40

秦磊。[卷烟丝绸生产线仿真平台的研究与开发。山东:山东大学，2010。28-30

[9]张方杰。基于西门子S7[的炉温预测控制。内蒙古:内蒙古科技大学，2012年5月-10日

[10]西门子PCS7-PID功能块描述[EB/OL]。

[11]李鹏。基于PCS7平台的湿法烟气脱硫仿真系统的开发。北京:华北理工大学，2014.51-60

邢立明，赵郑声。《流化床干燥器热能利用分析及节能措施》，[。中国中医杂志，2012，37 (13) :2023

周海涛刘芸。基于PC机的自动化控制[。微机信息，2002，09:6-7+10。

董立新、陈诚、吴平海、高杰、凌志浩、顾盛兴。带有搅拌罐反应器的先进控制系统[。石油化工自动化，2008，05:32-35。

高晏婴、季斌、白光里。基于模型的预测控制在温度控制中的应用[。自动化技术与应用，2011，30(06):6-9。

李小兰。流化床吸附干燥特性的研究[。天津:天津科技大学，2008。20-52

李小兰，叶竞生，罗巧军。流化床干燥技术的研究与发展[。通用机械，2007，(8): 61-64

[18]西门子。[流化床干燥设备进展研究。

黄少华。[发电厂化学水处理系统仿真研究。北京:华北电力大学，2004。10-31

[20]基尔斯，米歇尔森米勒，约翰森K . d .湿法烟气脱硫中试装置的实验研究和建模[J]。工业化学研究，1998，37(7):2792-2806。

[21 ]汉斯约阿希姆威克，弗里德海姆科斯特。用Kalma 1999，613估算再加热炉板坯的温度分布。

[22][22]利用分布式控制系统的再加热炉温度控制和优化[.钢铁工程师，1997，64(8): 44-49。

[23][[23]格贝克·姆，斯特加尔塞克·阿，科赞奇.湿式烟气脱硫装置模拟模型[.化学工程，1995，19:283-286。

[24]胡庆炉·迪克森。基于模型的旋转干燥机预测控制[。化学工程杂志？2002 86: 53 ~ 60

[25]茉伊尔，YT.Man .使用建模和仿真设计全尺寸球磨机电路[J .，矿物工程，1997，10(12):1311-1327 .

[[26]拉奥，纳格斯瓦拉罗，林奇.进料口直径对水力旋流器性能的影响[[]。国际矿物加工杂志，1976，3(4): 357-363。

[27]高木，杉野先生。系统的模糊辨识及其在建模和控制中的应用[。IEEE传输。系统、人和控制论(S0018-9427)，1985，15(1): 116-132。

[28]巴布斯卡，R，H. B .韦尔布鲁根。[控制模糊建模综述。控制工程实践(S09670661)，1996，4(11):1593-1606。

[29]茉伊尔，YT.Man .使用建模和仿真设计全尺寸球磨机电路[.矿物工程，1997，10(12):1311-1327。

[[30]杜诗恩，泰博和巴赞.工业回转干燥机的建模和动态模拟[.戴夫。化学工程矿物工艺，1997\' 5(3/4): 155-182