MATLAB在化工模拟控制软件开发中应用的探讨

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　　　　第　２６　卷　　　３　期　第　２００９　年　９　月

　　　　３

　　　　河　　北　　省　　科　　学　　院　　学　　　报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔ　ｈｅ　Ｈｅｂｅｉ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ

　　　　Ｖｏｌ．　２６　Ｎｏ　．　３　Ｓｅｐ　．　２００９

　　　　文章编号　：１００１　－　９３８３　（　２００９）　０３　－　００７６　－　０３

　　　　ＭＡＴＬ　ＡＢ　在化工模拟控制软件开发中应用的探讨

　　　　李国名　，　宋　　　遥

　　　　（　石家庄外经贸职业学院化工制药系　，　河北　石家庄　　　０５００００）

　　　　摘

　　　　要　：讨论了　“反应釜温度仿真工具”　软件中应用　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　的情况　，分析了　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　在化工生产模拟控

　　　　制软件开发中的优势　，如　：　数据计算能力　，图形处理能力　，可生成各类二维　、　三维图形　；　可广泛应用于化工研究　与开发　、　化工数学模型的参数估计和识别　、　化工过程优化设计　、　工艺控制参数的优化　、　化工过程控制的优化及　最优调度　；　支持混合编程　，可方便的与多数高级编程语言混合编写程序等　。通过　“反应釜温度仿真工具”　这一　应用反映了　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　在化工领域的应用前景十分广泛　。　关键词　：ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　；　模拟　；　优化　；　软件开发　中图分类号　：　ＴＰ３１１　文献标识码　：Ａ

　　　　Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ′　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｏｆ　ｔ　ｗａｒｅ

　　　　（　Ｓ　ｈｉ　ｊ　ｉ　ａｚ　ｈｕａｎ　ｇ　Ｆｏｒｅｉ　ｇｎ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎ　ｄ　Ｔ　ｒａ　ｄｅ　Ｖ　ｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　，　Ｓ　ｈｉ　ｊ　ｉ　ａｚ　ｈｕａｎ　ｇ　Ｈｅｂｅｉ　　　０５００００　，　Ｃｈｉ　ｎａ）

　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ　：Ｔｈｒｏ　ｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔ　ｈｅ　ｓｉｔ　ｕａｔｉｏ　ｎ　ｏｆ　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　ｓｏｆ　ｔ　ｗａｒｅ’ｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ　ｎ　ｉｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ“ｔｅｍｐｅｒａｔ　ｕｒｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏ　ｎ　ｔｏｏｌｓ”　ｗｅ　ｆｏ　ｕｎｄ　ｔ　ｈｅ　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　ｈａｄ　ａｎ　ｕｎｐａｒａｌｌｅｌｅｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｉｎ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｍｅｎｔ　ｏｆ　，　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏ　ｎ　ｃｏ　ｎｔ　ｒｏｌ　ｓｏｆｔ　ｗａｒｅ．　Ｓｕｃｈ　ａｓ　：　ｐｏｗｅｒｆ　ｕｌ　ｄａｔａ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏ　ｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔ　ｙ　，　ｐｏｗｅｒｆ　ｕｌ　ｇｒａｐ　ｈｉｃｓ　ｐ　ｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔ　ｙ　，　ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｌｌ　ｔ　ｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔ　ｗｏ２ｄｉｍｅｎｓｉｏ　ｎａｌ　，　ｔ　ｈｒｅｅ２ｄｉｍｅｎｓｉｏ　ｎａｌ　ｇｒａｐ　ｈｉｃｓ　，　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｑｕｉｐ　ｍｅｎｔ　．　Ｔｈｒｏ　ｕｇｈ　ｔ　ｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ　ｎ　，　ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔ　ｈａｔ　ｔ　ｈｅ　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　ｈａｓ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ　ｎ　ｐ　ｒｏ　ｓｐｅｃｔ　ｓ．　Ｉｆ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　：ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　；　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏ　ｎ　；　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏ　ｎ　；　Ｓｏｆｔ　ｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｍｅｎｔ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｍｅｎｔ　，　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍａｔ　ｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏ　ｄｅｌ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏ　ｎ　ａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｆｉ２

　　　　ｃａｔｉｏ　ｎ　，　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏ　ｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐ　ｒｏｃｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ　，　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏ　ｎ　ｏｆ　ｐ　ｒｏｃｅｓｓ　ｃｏ　ｎｔ　ｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　，　ｏｐｔｉｍｉｚａ２　ｃａｌ　ｅｑｕｉｐ　ｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔ　ｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐ　ｒｏｖｅｄ．　ａｔ　ｕｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏ　ｎ　ｔｏｏｌ　”　ｏ　ｎｌｙ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ　ｎ　ｏｆ　ｔ　ｈｅ　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　ｓｏｆ　ｔ　ｗａｒｅ　ｉｎ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅ２　ｉｓ

　　　　无论是新化工生产线的设计还是对现有化工　设备和过程的分析都需要建立化工过程模型　，　然　后以实际系统的数据带入模型　，　通过数据处理得　到模型中的参数　。模型建立以后　，　一方面可以对

　　　　３收稿日期　：２００９　－　０６　－　３０

　　　　ｔｉｏ　ｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐ　ｒｏｃｅｓｓ　ｃｏ　ｎｔ　ｒｏｌ　ａｎｄ　ｏｐ　ｔｉｍａｌ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　，　ｓｕｐｐｏ　ｒｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｍｉｘｅｄ　ｐ　ｒｏ　ｇｒａｍｍｉｎｇ　ａｎｄ　ａ　ｃｏ　ｎ２　ｖｅｎｉｅｎｔ　ｈｉｇｈ２ｌｅｖｅｌ　ｐ　ｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｌａｎｇｕａｇｅｓ　ｗｉｔ　ｈ　ｔ　ｈｅ　ｍａｊｏｒｉｔ　ｙ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｐ　ｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．　“Ｒｅａｃｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒ２　ｔ　ｈｉｓ　ｐｏｗｅｒｆ　ｕｌ　ｔｏｏｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｋｉｌｌｆ　ｕｌｌｙ　ｕｓｅｄ　ｂｙ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ　ｓ　，　ｏ　ｕｒ　ｃｏ　ｕｎｔ　ｒｙ’ｓ　ｃｈｅｍｉ２

　　　　作者简介　：　李国名　（１９７１　－　）　，男　，河北石家庄人　，讲师　，研究方向为化工设计　．

　　　　ＬＩ　Ｇｕｏ２ｍｉｎｇ　，　ＳＯＮＧ　Ｙａｏ　　　　现有化工生产线进行模拟　，　以判断生产状态是否　处于最优　，然后进行生产参数的调整　，使生产过程　尽可能接近最优状态　，　以达到节能降耗的目的　。　另一方面在新化工生产线设计过程中　，　通过用模

　　　　第３期

　　　　李国名等　：ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　在化工模拟控制软件开发中应用的探讨

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　　　　型模拟可以达到最优设计　。所以化工过程模拟是　化工过程与分析　、　化工过程研究与开发　、　模拟预　测、　优化和控制生产过程的基础　。然而无论是化　工过程模型的建立　，　还是化工过程模型的使用都　需要大量的计算过程　。由于模型中包含大量的非　线性方程　（　组）　、　常微分方程　（　组）　、　偏微分方程　（　组）　等计算工作量大　，计算过程复杂　，而化工过程优化　过程涉及的计算量更是巨大　，　所以化工过程的模　型化的使用受到很大　。　随着计算机技术在各行各业应用越来越普　遍　，计算机技术为化工过程模拟提供了有力的支　持　。已经　出　现　了　一　些　商　用　化　工　模　拟　软　件　，　如　：　Ａ　ｓｐｅｎ　、　ＩＩ　，　可用于工厂物料衡算和能量衡算　，　Ｐｒｏ　这类软件通用性较好　，　功能强大　。但这些软件价　格昂贵而且软件中不包含对特定情况需要的专用　程序模块　，比如建立一个精馏塔的模型　，对一个特　定化工过程进行模拟等　，　在这种情况下选择自己　编程进行过程模拟　，不仅可以解决问题　，而且对于　化工技术人员掌握这些技术　，　有利于提高解决问　题的能力　，　在这方面　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　具有无可比拟的　优势　。

　　　　１）　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　解非线性方程　（　组　）　在化学工程

　　　　中的作用包括　：　多组分混合溶液的沸点　、　饱和蒸气　压计算　；　流体在管道中阻力计算　；　多组分多平衡级　分离操作模拟计算　；　平衡常数法求解化学平衡问　题　；　定态操作的全混流反应器的操作分析等　。　２）　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　解微分方程在化工模型中的应　用包括　：　间歇反应器的计算　；　活塞流反应器的计　算　；　全混流反应器的动态模拟　；　定态一维热传导问　题　；　逆流壁冷式固定床反应器一维模型　；　固定床反　应器的分散模　；　过程控制等　。　３）　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　解偏微分方程在化工模型中的　应用包括　：　传热计算　；　扩散传递计算　；　流体力学计　算等　。　（　２　）　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　中插值　、　拟合　、　数值微分　、　数值　积分在化工计算中的作用　［　１　］

　　　　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　中插值　、　拟合　、　数值微分　、　数值积

　　　　分在化工计算中的应用包括表格式物性数据的内　插　；　离散实验数据点的处理　；　状态方程计算流体的　焓和熵　；　微分法反应动力学方程拟合　；　等温活塞流　反应器的设计计算　；　微观离析反应器的计算等　（　３　）　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　在化工最优化中的应用

　　　　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　最优化工具箱包含大量函数　，　可

　　　　１　　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　的特点　［　１　］

　　　　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　具有用法简单　、　灵活　、　结构性强　、

　　　　广泛应用于化工研究与开发　、　化工数学模型的参　数估计和识别　、　化工过程优化设计　、　工艺控制参数　的优化　、　化工过程控制的优化及最优调度　。

　　　　延展性好等优点　，逐渐成为科技计算　、　视图交互系　统和程序中的首选语言工具　。它具有以下特点　：　支持多平台操作系统　，　如　Ｗｉｎｄｏｗｓ　、　ｎｉｘ　等　；　用　Ｕ　途广泛　，　可用于数值计算和符号计算　、　数据分析　、　工程绘图　、　建模与仿真模拟　、　控制系统设计　；　强大　的图形处理能力　，　可生成各类二维　、　三维图形　；　高　级且简单的程序环境　，简单易学的编程语言　，编程　效率很高　；　丰富的工具箱与模块集　，有众多面向具　体应用的工具箱和　ｓｉｍｕｌｉｎｋ　仿真模块　；　支持混合　编程　，可方便的与多数高级编程语言　（　如　：　Ｃ　＋　＋　、　Ｊ　ＡＶＡ　、　Ｐａｓｃａｌ　、　Ｂａｓｉｃ　等）　混合编写程序　，　充分发挥　二者的特点　。

　　　　３　　ＭＡＴＬＡＢ　在开发化工模拟控制软件的

　　　　应用实例

　　　　制药企业中生物反应的关键设备是生化反应　釜　，生物反应控制指标中　，　温度是最主要的指标　，

　　　　Ｌ　ＡＢ　开发的　“反应釜温度仿真工具”　是专门用于

　　　　２　　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　在化工模拟中的应用

　　　　（　１）　化工模型中经常遇到大量非线性方程　Ｌ　ＡＢ　为这些方程内置了大量函数　，　使用非常简单　（　组）　、　常微分方程　（　组　）　、　偏微分方程　（　组　）　，　ＭＡ　Ｔ２

　　　　方便　，且运算速度快　。

　　　　Ｌ　ＡＢ　中模拟工具箱和神经网络工具箱中的工具

　　　　温度控制的好坏直接影响收率的高低　。用　ＭＡ　Ｔ２　对反应釜的温度模拟和控制　，其主界面如图　１　。　反应釜的温度控制要求在　７　－　１０　℃之间　，　冷　却水通过反应釜的夹套和釜内蛇管给反应釜降　温　，本软件实现了下列功能　：　（　１　）　建立模拟方程　。对反应釜内温度以直观　的图形方式实时显示　，　以便监控　。同时记录在完　成一釜反应的时段内每隔　１００ｓ　的冷却水流量　、　冷　却水的进口温度　、　冷却水的出口温度　、　反应时间　等　。在得到　几十　组这样　的　数　据　后　，　通　过　ＭＡ　Ｔ２

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　　　　河北省科学院学报

　　　　２００９　年第　２６　卷

　　　　对反应釜进行模拟　，建立模拟方程　，得到各参数　。　（　２）　实现预测　。在得到反应釜的模拟方程后　，　即可用取得的实时数据对任一时刻反应釜的反应

　　　　温度做出预测　，并与实测值进行对比　，看其误差是　否在控制要求范围内　，　以对模型方程进行进一步　的检验和修正　。

　　　　图１　　“反应釜温度仿真工具”　主界面

　　　　（　３）　实现优化设计　。反应釜模型建立以后　，通　过计算反应釜的传热系数等参数　，　可以验证在设　计过程中参数选取是否准确　，　为以后设计同类反　应器积累经验　，优化设计　。　（　４）　实现设备的最优化操作　。反应釜模型建　立以后　，通过输入每吨冷却水的成本　、　冷却水每吨　每降低一度的能量成本　，　输水泵的电力成本等经　济数据　，　通过　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　最优化工具箱包含的大　量函数对反应釜进行操作成本的最优化　。获取最　优化操作模型　，　找出最佳操作参数如　：　冷却水温　、　冷却水流量等之间的关系　，　以实现设备的最优化　操作　。　（　５）　实现最优化控制　。在反应釜模型和最优

　　　　化操作模型的基础上　，　通过设定控制器参数实现　最优化的控制　。　总之　，　通过以上的　“反应釜温度仿真工具”　在　一个化工设备中的模拟　、　、　优化　控制应用可以看出　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　所具有的强大功能　，　由于我国在化工　设备的设计与制造技术上还远远落后于发达国　家　，作为化工技术人员和科研人员　，如果能够熟练　使用　ＭＡ　ＴＬ　ＡＢ　这一有力的工具　，　必将使我国的　化工设备的设计与制造技术有一个较大的提高　。　参考文献　：

　　　　［１］　　　黄华江　．　实用化工计算机模拟　［　Ｍ　］　．　北京　：　化学工业出版

　　　　社　，２００４．

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