第 1 章 绪论
1.1 超临界萃取技术及研究意义
1.1.1 超临界流体
超临界在热力学上指的是一种状态，当流体的温度和压力都高于物质的临界温度和临界压力时，称该流体处于超临界状态，该状态的流体为超临界流体[1](Supercritical Fluid，简称SF)。在临界点附近，流体分子之间的作用力介于气体和液体分子之间，既具有类似液体的密度、溶解能力和良好的流动性，同时又具有类似气体的扩散系数和低黏度，会出现流体的密度、黏度、溶解度、介电常数等物性发生急剧变化的现象。因此，流体的超临界状态可简单地认为是一种介于液体与气体之间的中间状态。图1-1为固－液－气三态关系和超临界区域示意图，其中斜线部分是超临界区的范围。表1-1中把气体、液体及超临界流体的几种物理性质做了比较。
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1.2 CO2 超临界萃取过程控制技术国内外研究现状
超临界流体萃取发源于国外。1822 年，法国医生 Cagniard de la Tour 在加热封有液体的炮管时，发现了超临界现象，并在世界上首次做了有关超临界状态的报道。1879年，学者 Harmay 和 Hogarth 发现了超临界流体能溶解无机盐类，然而，由于技术及装备的原因，未能深入地研究。20 世纪 30 年代，科学家 Pilat 和 Gadlewicz 首次提出了用液化气体提取大分子化合物的构想。1954 年，Zosol 用实验证实了超临界 CO2能够萃取油料中的油脂。20 世纪 70 年代的后期，德国在高压实验装置的研究中取得了突破进展。1978 年联邦德国建成从咖啡豆脱除咖啡因的 CO2 超临界萃取工业化装置，随后在英国与法国也先后设立了利用 SC-CO2 萃取啤酒花的工厂。随着超临界萃取的大规模应用，超临界萃取的控制技术逐渐受到人们广泛的关注。先进工业国家竞相开发，发展异常迅速，在许多行业的不同领域中获得突破性进展。例如美国 SFT公司生产的 SFT-100XW 超临界萃取反应设备是一种全自动的超临界中试设备，具有独立操作背压阀的调节系统。在过压保护方面，其设计了安全膜和 PLC 安全联动装置，并且安装有嵌入式微处理器，可控制所有温度、萃取时间、搅拌强度、操作压力等，通过 PLC 实现了阀门和节流器全自动操作。又如目前在超临界萃取领域拥有最大份额的美国应用分离公司（ASI）生产的 Spe-ed SFE－2/4 超临界流体萃取装置，可独立控制各釜的流速，同时设计了多通道，可平行处理 2 个或 4 个萃取釜，并且可在线收集萃取物。目前超临界流体技术的研究仍以德国、瑞典、美国和日本为中心。德国、瑞典的超临界技术无论在工艺、设备，还是应用方面的水平都居于世界首位。日本没有超临界装置设计能力和技术，但在生产工艺和技术应用方面居于世界第二位。国外的超临界流体技术工艺发展分为 4 个阶段，最早是固体原料间歇式萃取，后来开发出液体原料间歇式萃取，再后来发展到精馏逆流连续萃取工艺，目前正迅速向萃取分离以外的领域拓展，已发展成为涵盖萃取分离、材料制备、化学反应、环境保护等多领域的综合技术。
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第 2 章 基于灰色理论与 Peng-Robinson 状态方程的萃取过程建模
2.1 温度和压力的非等间隔灰色优化模型
2.1.1 超临界萃取工艺
萃取过程一般在萃取釜中进行，通过调整萃取釜中的温度与压力，使其中的溶剂处于超临界状态，提取物溶解于超临界溶剂中，然后将携带提取物的超临界气体送至分离釜，在分离釜中，溶剂退出超临界状态，溶解物析出，完成提取。以常见的 CO2萃取为例，萃取设备结构如图 2-1 所示:
CO2 由气源进入冷却槽冷却至 0℃以下，由高压泵加压至临界压力，并送入萃取釜，通过导热油控制使萃取釜中的温度稳定在临界区温度，
CO2 处于超临界状态，与待提取物溶解，溶解气体通过出口阀和节流膨胀阀，进入析出仓，此时 CO2 处于气态，其中的溶解物析出，剩余气体进入冷却槽循环使用。
萃取过程的性能取决于超临界体的溶解度，而溶解度又由超临界体的温度和压力决定，因此萃取釜中温度和压力的控制精度直接影响萃取效果。萃取釜中的压力通过压力变送器测量，由变频器控制高压泵调节，温度由温度传感器测量，通过调节导热油的流量来调节温度。
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2.2 Peng-Robinson 状态方程
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3.1 SFE 生产过程参数对萃取效率的影响分析 ........................... 31
3.2 基于 RBF 神经网络的生产参数优化方法 ............................. 32
第 4 章 线性自抗扰扩张状态观测器和控制器性能分析 ...................... 51
4.1 线性自抗扰理论及其性能分析 ..................................... 51
4.1.1 线性自抗扰控制的基本结构 ................................. 52
4.1.2 扩张状态观测器传递函数 ................................... 54
第 5 章 基于线性自抗扰的超临界萃取过程控制方法 ........................ 81
5.1 SFE 的压力－温度自抗扰控制模型 ................................. 81
5.2 基于一阶模型线性自抗扰的 SFE 过程控制器设计与仿真 ............... 83
第 6 章 超临界萃取生产控制系统及线性自抗扰算法的工程实现
6.1 超临界萃取生产控制系统
6.1.1 超临界萃取生产工艺
第2章曾给出超临界萃取系统的基本工艺图，实际工程应用时，根据萃取剂是否循环利用、分离方法和系统规模的不同，超临界萃取系统有多种组成形式。本文研究的实际系统是CO2超临界萃取装置，工艺结构如图6-1所示： FI流量计柱塞泵柱塞泵冷箱净化器混合器携带剂加
钢瓶储存高压CO2，CO2从钢瓶中流出，经过净化器净化后进入冷箱，冷箱温度保持在3oC，其内压力足以使CO2保持液态。开始生产前，萃取釜中提前装好萃取物料，并将温度调整至设定温度，生产时，通过加压泵将CO2送入萃取釜（如需携带剂，则通过柱塞泵与CO2一起送入混合器），直至萃取釜内压力达到设定压力，进入反应阶段，在此过程中一直通过加热器和加压泵保持设定温度和压力，以使釜内维持超临界状态。反应时间到达设定时间后，打开输出阀，混合物料经过两级分离釜，进入精馏环节。
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第 7 章 结论与展望
7.1 主要工作与结论
超临界萃取工艺以其绿色环保、节能、可循环等优点越来越多地用于工业生产。本论文在吉林省科技厅项目“CO2 超临界萃取工艺及其测控技术研究”(项目编号：20150204071GX)的支持下，开展了 CO2 超临界萃取工艺优化及其测控技术研究。本文主要的工作与结论如下：
1）基于非等间隔灰色优化模型与 Peng-Robinson 状态方程的非线性温度－压力过程建模，使用非等间隔灰色优化模型描述非线性温度－压力模型的线性部分，非线性部分使用 PR 状态方程建模，并讨论了非线性温度－压力耦合模型的输入输出解耦条件，通过状态与输出变换，给出了其对应的解耦模型，并基于所获得的解耦模型进行了温度和压力的 PID 控制。
2）针对 SFE 生产过程中的参数优化方法，开展了基于径向基神经网络的预测分析技术研究，通过遗传算法训练径向基神经网络，建立萃取压力、萃取温度和流量与萃取率之间的模型，应用粒子群算法对模型进行生产参数寻优，采用多点优化方法，可以获得多组优化的生产参数，根据生产需求，可以适当的选择合适的生产工艺参数。
3）在分析自抗扰控制器结构的基础上，利用传递函数和状态空间方法，分析了线性自抗扰控制中 ESO 标准化改造的解析结果，并用根轨迹工具分析了改造结果随对象参数不同时的特性变化，利用伯德图分析了 PD 控制器的控制效果，并在上述分析基础之上给出了自抗扰控制器的一些分析结论和参数整定原则，为线性自抗扰控制器的应用提供了理论基础。
参考文献（略）