论文总字数：29100字

摘 要

以CO₂为代表的温室气体排放，成为目前全球最严重的环境问题之一。由其造成的全球气候变暖，已经潜移默化地影响到了人类的正常生活。CO₂排放量的急剧上升源于人类日益频繁的工业活动，其中最为主要且固定的二氧化碳排放源是化石燃料发电厂。发电厂燃烧后碳捕集与封存技术是减少CO₂排放问题最有效的途径。

碳捕集过程的灵活操作要求碳捕集系统能适应烟气流量的快速变化，并能快速调整碳捕集水平。针对碳捕集过程控制系统，目前已存在一些方法，如PI控制，MPC控制等。但实际的碳捕集过程系统是非线性的时变系统，难以精准的建立其数学模型，简化的模型会在一定程度上影响控制的精度。因此，一些传统的基于系统模型的控制器在应用的过程中就会受到模型不精确的影响，导致控制效果不理想。无模型控制方法是针对非线性问题所提出的，仅根据被控对象的I/O数据来设计控制器，方法相比传统控制更为简单。目前，无模型自适应控制器已被成功地应用到轻工、环保、电力等诸多行业。

本文以碳捕集过程为研究对象，首先简要介绍了单乙醇胺脱碳技术。其次，建立了碳捕集过程的非线性模型。之后，在Matlab/Simulink平台上开发了无模型自适应控制器，通过仿真实验验证无模型自适应控制的有效性。最后，考察在不同扰动情况下无模型自适应控制器的控制性能。

关键词：碳捕集过程 无模型自适应控制 ARX模型 非线性

ABSTRACT

The emission of greenhouse gases represented by CO₂ has become one of the most serious environmental problems in the world. The global warming caused by it has subtly affected the normal life of human beings. The sharp rise in CO₂ emissions originates from the increasingly frequent industrial activities of human beings, and the most important and fixed source of carbon dioxide emissions is fossil fuel power plants. Post-combustion carbon capture and storage technology in power plants is the most effective way to overcome CO₂ emissions.

The flexible operation of the carbon capture process requires that the carbon capture system can adapt to the rapid changes in flue gas flow and can quickly adjust the carbon capture level. For the carbon capture process control system, there are currently some methods, such as PI control, MPC control, etc. However, in the actual industry, we will encounter a large number of nonlinear time-varying systems, so it is difficult to establish accurate mathematical models, can only use its simplified model, which will affect the control accuracy to a certain extent. Therefore, some traditional controllers based on the system model will be affected by the model inaccuracy during the application process. The control effect is not ideal. The model-free control method is proposed for non-linear problems. The controller is designed based only on the I/O data of the controlled object. The method is simpler than traditional control. At present, the model-free adaptive controller has been successfully applied to environmental protection, light industry, power and other industries.

This article takes the carbon capture process as the research object. Firstly, the decarburization technology of monoethanolamine is briefly introduced. Secondly, a nonlinear model of the carbon capture process was established. After that, a model-free adaptive controller was developed on the Matlab / Simulink platform, and the effectiveness of the model-free adaptive control was verified through simulation experiments. Finally, the control performance of the model-free adaptive controller under different disturbances is investigated.

Keyword: Carbon capture process; Model-free adaptive control; ARX model; Nonlinearity

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1燃烧后碳捕集过程控制的研究意义与背景 1

1.1.1二氧化碳排放和温室效应严峻性 1

1.1.2碳捕集的过程控制对CO₂吸收的重要性 1

1.2燃烧后碳捕集过程控制方法的研究现状 2

1.2.1 国外碳捕集过程控制研究现状 2

1.2.2 国内碳捕集过程控制研究现状 3

1.3 数据驱动控制和无模型自适应控制的研究现状 4

1.4本文主要研究内容 4

第二章 碳捕集过程系统辨识的理论与方法 6

2.1 基于物化性质进行机理建模 6

2.1.1 碳捕集机组的运行介绍 6

2.1.2 碳捕集过程建模原理 7

2.2 基于数据驱动的碳捕集过程系统辨识 8

2.2.1 系统辨识的介绍的常用方法 8

2.2.2 MATLAB系统辨识工具箱的介绍 9

2.2.3 基于ARX模型的系统辨识 10

第三章 无模型自适应控制的理论与方法 14

3.1无模型自适应控制方法的发展 14

3.2无模型自适应控制算法 14

3.2.1 非线性模型线性化的泛模型 14

3.2.2 基于紧格式线性化的无模型自适应控制 15

3.2.3 单输入单输出(SISO)系统 16

第四章 基于Simulink的MFAC模块开发 18

4.1 S-Function实现MFAC模块的控制率 18

4.1.1 S-Function的介绍 18

4.1.2 S-Function的工作原理 18

4.1.3 S-Function的实现 20

4.1.4 无模型自适应控制率S-Function的编写 20

4.2 MFAC模块的开发与封装 21

第五章 基于ARX模型的碳捕集过程系统辨识 23

5.1碳捕集过程数据的获取与清洗 23

5.1.1 数据的获取 23

5.1.2 数据的清洗 23

5.2基于非线性ARX模型的碳捕集过程系统辨识 25

第六章 基于MFAC的碳捕集过程控制仿真 28

6.1碳捕集过程控制系统设计 28

6.2无扰动情况下的仿真 30

6.3二氧化碳占比变化情况下的仿真 30

6.4烟气流量变化情况下的仿真 31

6.4双变量变化情况下的仿真 32

第七章 总结与展望 34

7.1总结 34

7.2展望 34

参考文献 35

致谢 37

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