本發(fā)明屬于化工仿真技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種聯(lián)合aspen和matlab軟件的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真方法。
背景技術(shù):
甲醇是一種重要的化工原料,主要用作防凍劑、萃取劑、橡膠加速劑,亦可作染料、樹脂、人造革、噴漆等的溶劑以及油漆與顏料去除劑、有機合成的中間體等。此外,甲醇還是一種清潔的燃料。甲醇和水分離通常通過精餾實現(xiàn),相比普通精餾,熱耦合精餾可顯著降低能量的消耗。
aspenplus和aspendynamics是aspentech公司開發(fā)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)化工模擬軟件,采用序貫?zāi)K法,包含強大的物性數(shù)據(jù)庫,同時具有強大的計算能力,可針對各種不同的化工過程,應(yīng)用十分廣泛。
matlab是美國mathworks公司發(fā)布的一款數(shù)學(xué)軟件,它將數(shù)值分析、矩陣計算,科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等強大的功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,為研究員們提供了一種全面的解決方案。
amsimulation是aspentech公司和mathworks公司開發(fā)的交互接口,利用它可以將由aspendynamics和aspencustomermodeler建立的嚴(yán)格非線性過程模型與simulink仿真工具箱結(jié)合。
由于缺乏物性數(shù)據(jù)庫等原因,用matlab直接建立化工過程的動態(tài)模型很困難;而用aspendynamics軟件無法建立用戶界面。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處,本發(fā)明的目的在于提供一種聯(lián)合aspen和matlab軟件的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真方法。該方法將aspendynamics建立動態(tài)模型的精確性與matlab建立用戶界面的便利性結(jié)合起來,從而快速、精確地建立化工過程的仿真系統(tǒng)。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種聯(lián)合aspen和matlab軟件的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真方法,包括如下步驟:
(1)利用aspen軟件,建立甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型;
(2)在matlabsimulink中通過amsimualtion模塊調(diào)用步驟(1)的動態(tài)模型,選擇輸入輸出變量;
(3)通過matlabgui建立用戶界面;
(4)在matlabsimulink中通過自建m-s-function模塊將步驟(2)選擇的輸入輸出變量與步驟(3)用戶界面中的控件建立關(guān)聯(lián)。
其中,利用aspen軟件,建立甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型包含以下步驟:
(1)利用aspenplus軟件對甲醇-水熱耦合精餾過程進行穩(wěn)態(tài)模擬,選取合適的物性方法,調(diào)整塔的各種參數(shù);
(2)補充必要的塔的設(shè)備參數(shù)后導(dǎo)入到aspendynamics中,得到默認(rèn)控制結(jié)構(gòu)的動態(tài)模型;
(3)對動態(tài)模型的控制結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,得到建立好的動態(tài)模型。
其中,建立好的動態(tài)模型通過amsimulation模塊進行調(diào)用,選取甲醇-水熱耦合精餾過程的主要控制變量作為amsimulation模塊的輸入變量,選取能夠表征甲醇-水熱耦合精餾過程模擬結(jié)果的變量作為amsimulation模塊的輸出變量。
其中,用matlabgui建立用戶界面時新建窗口,然后在窗口中添加各種控件,包括靜態(tài)文本控件、編輯框控件和按鈕控件。
其中,編輯框控件用來改變底層aspendynamics動態(tài)模擬文件的輸入,模擬結(jié)果用靜態(tài)文本控件來顯示。
其中,用戶界面有兩個窗體,其中一個為主窗體,另一個為副窗體。兩個窗體上均添加整個熱耦合精餾過程的仿真界面,通過主窗體可以控制仿真的開始、暫停/繼續(xù)和退出。副窗體的作用是調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù),主窗體和副窗體之間可以相互切換。
其中,通過在matlabsimulink中自建的m-s-function模塊以及設(shè)置的各全局變量實現(xiàn)用戶界面與matlabsimulink之間的數(shù)據(jù)實時交互傳遞。
相對于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的仿真方法具有如下優(yōu)點及有益效果:
本發(fā)明克服了matlab不容易建立化工過程動態(tài)模型以及aspendynamics不能建立用戶界面的缺點,充分將aspendynamics建立動態(tài)模型的精確性與matlab建立用戶界面的便利性結(jié)合起來,從而可以快速、精確地建立化工過程的動態(tài)仿真系統(tǒng)。所建立的仿真系統(tǒng)可作為教學(xué)和培訓(xùn)使用。此外,這種仿真系統(tǒng)的開發(fā)方法可以適用于各種化工過程,應(yīng)用范圍廣。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中聯(lián)合aspen和matlab軟件的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真方法的原理圖;
圖2為本發(fā)明實施例中甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型;
圖3為本發(fā)明實施例中調(diào)用動態(tài)模型時,輸入輸出變量的選擇圖;
圖4為本發(fā)明實施例中用matlabgui建立的用戶界面的主窗體;
圖5為本發(fā)明實施例中用matlabgui建立的用戶界面的副窗體;
圖中符號說明如下:
feed-總的進料;f1-高壓塔進料;f2-低壓塔進料;d1-高壓塔塔頂產(chǎn)品;b1-高壓塔塔底產(chǎn)品;d2-低壓塔塔頂產(chǎn)品;b2-低壓塔塔底產(chǎn)品;pc1-高壓塔塔頂壓力控制器;pc2-低壓塔塔頂壓力控制器;lc1-高壓塔回流罐液位控制器;lc2-高壓塔再沸器液位控制器;lc3-低壓塔回流罐液位控制器;lc4-低壓塔再沸器液位控制器;r1/f1-高壓塔回流/進料比例控制器;r2/f2-低壓塔回流/進料比例控制器;tc-塔板溫度控制器;c1-高壓塔;c2-低壓塔。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述,但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例
本實施例的一種聯(lián)合aspen和matlab軟件的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真方法,包含以下步驟:
(1)利用aspen軟件,建立甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型;
(2)在matlabsimulink中通過amsimualtion模塊調(diào)用步驟(1)的動態(tài)模型,并根據(jù)需要選擇合適的輸入輸出變量;
(3)通過matlabgui建立用戶界面;
(4)通過在matlabsimulink中自建m-s-function模塊以及設(shè)置的各全局變量將步驟(2)的輸入輸出變量與步驟(3)中用戶界面中的控件建立關(guān)聯(lián)。
按照以上步驟建立的甲醇-水熱耦合精餾過程的仿真系統(tǒng)包含三個層次,其原理如圖1所示。底層是甲醇-水熱耦合精餾過程的aspendynamics動態(tài)模型;頂層是用matlabgui建立的用戶界面;二者通過matlabsimulink中amsimulation模塊和自己建立的各m-s-function模塊進行連接。在仿真運行時,用戶可以通過用戶界面實時改變底層動態(tài)模型的輸入?yún)?shù),同時實時獲取輸出參數(shù)的值。
利用aspen軟件建立甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型包含以下步驟:
(1)利用aspenplus軟件對甲醇-水熱耦合精餾過程進行穩(wěn)態(tài)模擬,選擇合適的物性方法,通過設(shè)計規(guī)定和靈敏度分析等手段調(diào)整塔的各項參數(shù)直至合適,得到穩(wěn)態(tài)模型;
(2)在aspenplus中將運行收斂的穩(wěn)態(tài)模型的輸入模式改為dynamics,補充必要的設(shè)備參數(shù),如塔徑、堰高、回流罐尺寸等,以壓力驅(qū)動模式導(dǎo)入aspendynamics中,得到默認(rèn)控制結(jié)構(gòu)的動態(tài)模型;
(3)根據(jù)需要,對控制結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,得到最終符合需要的動態(tài)模型。
對于一個化工過程來說,通常有多種控制結(jié)構(gòu)可供選擇。本實施例甲醇-水熱耦合精餾過程的動態(tài)模型如圖2所示,為了保持產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,本實施例除了保留了默認(rèn)控制結(jié)構(gòu)中的2個壓力控制器(pc1、pc2)外,還添加了4個液位控制器(lc1、lc2、lc3、lc4)、2個回流/進料比例控制器(r1/f1、r2/f2)和一個塔板溫度控制器(tc)。
圖2所示的動態(tài)模型通過amsimulation模塊進行調(diào)用。在matlabsimulink中添加amsimulation模塊,雙擊該模塊,設(shè)置動態(tài)模型文件路徑,選擇輸入輸出變量。通常選取過程的主要控制變量作為amsimulation模塊的輸入變量,選取能夠表征過程模擬結(jié)果的變量作為amsimulation模塊的輸出變量。過程的控制結(jié)構(gòu)不同,輸入輸出變量選擇也不同。本實施例調(diào)用動態(tài)模型時,輸入輸出變量的選擇如圖3所示。
圖4和圖5是本實施例中用matlabgui建立的用戶界面。圖4是主窗體,用于控制仿真的開始、暫停/繼續(xù)和退出,以及顯示仿真的結(jié)果,主要包含靜態(tài)文本控件和按鈕控件。當(dāng)用戶需要調(diào)整參數(shù)時,點擊右邊的調(diào)整參數(shù)按鈕即可切換到圖5所示的副窗體。在副窗體中,輸入需要調(diào)整的參數(shù),點擊確定即可改變底層動態(tài)模型的相應(yīng)變量,點擊主圖按鈕,返回到主窗體。副窗體主要有靜態(tài)文本控件、編輯框控件和按鈕控件。
實施例中各m-s-function模塊的功能類似,代碼也類似,編寫較為容易。各m-s-function模塊的作用在于實現(xiàn)用戶界面與底層動態(tài)模型的數(shù)據(jù)實時交互傳遞。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式,但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制,其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。