專利名稱：用于蒸餾的模型預(yù)測控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過模型預(yù)測控制來控制蒸餾塔或其他系統(tǒng)的方法。更特定地，本發(fā) 明涉及這樣的方法，其中轉(zhuǎn)化蒸餾塔的頂部部分內(nèi)的由控制器利用的溫度以獲得對具有由 于多個(gè)穩(wěn)態(tài)溫度曲線導(dǎo)致的不穩(wěn)定性的塔內(nèi)的回流添加的更積極(agressive)的操縱。另 外，本發(fā)明涉及也用于與蒸餾塔不同的系統(tǒng)中的方法，其中在控制器內(nèi)利用某些操縱變量 作為前饋?zhàn)兞?，以允許簡化的控制器調(diào)整。
背景技術(shù)：
模型預(yù)測控制系統(tǒng)已知為“MPC”，它用于控制多種工業(yè)過程。一般地講，模型預(yù)測 控制器基于獨(dú)立變量和非獨(dú)立變量運(yùn)行。獨(dú)立變量是可以通過操作者或控制器改變或移動(dòng) 的操縱變量，例如閥位置的設(shè)定或用于(流動(dòng)、溫度、壓力等)的設(shè)定點(diǎn)，且對待控制的過程 或系統(tǒng)具有顯著影響的前饋或擾動(dòng)變量尚不能直接操縱。非獨(dú)立變量是具有可根據(jù)特定的 獨(dú)立變量改變完全地描述或預(yù)測的值的被控變量。模型預(yù)測控制器以階躍響應(yīng)模型編程，該階躍響應(yīng)模型示出每個(gè)被控變量如何響 應(yīng)給定的獨(dú)立變量的改變。這些模型用于基于被控變量、操縱變量和前饋?zhàn)兞康倪^去歷史 來預(yù)測被控變量的將來行為。預(yù)測用于計(jì)算用于操縱變量的合適的控制動(dòng)作。以從過程中 測量到的信息將模型預(yù)測不斷更新，以提供用于模型預(yù)測控制器的反饋機(jī)制。操作模型預(yù)測控制器的模型包括收集階躍響應(yīng)模型，其基于操縱變量或前饋?zhàn)兞?的單位移動(dòng)和在這樣的移動(dòng)后使被控變量到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間將被控變量與操縱變量和 前饋?zhàn)兞肯嚓P(guān)聯(lián)。在控制器運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)被維持，這記錄了操縱變量的先前值、被控變量 的預(yù)測值和被控變量的實(shí)際值。在控制器的每次執(zhí)行時(shí)，將數(shù)據(jù)更新，且數(shù)據(jù)用于確定預(yù)測 誤差，該預(yù)測誤差可以作為到控制器的反饋應(yīng)用于模型預(yù)測。利用操縱變量的當(dāng)前值確定了開環(huán)響應(yīng)，該響應(yīng)是如果不輸入進(jìn)一步控制輸入時(shí) 在預(yù)測水平上獲得的響應(yīng)。隨后，預(yù)測了一組操縱變量的優(yōu)化移動(dòng)，以獲得閉環(huán)響應(yīng)，閉環(huán) 響應(yīng)將導(dǎo)致被控變量到在實(shí)踐中設(shè)定在范圍內(nèi)的目標(biāo)值。然后將包含在移動(dòng)計(jì)劃中的控制 器移動(dòng)的第一個(gè)傳遞到局部控制器，局部控制器起作用以控制系統(tǒng)內(nèi)的裝備，例如流動(dòng)控 制器。這樣的局部控制器可以是比例積分微分控制器，它例如用于控制閥促動(dòng)器。前述過 程在控制器的每次執(zhí)行期間重復(fù)。模型預(yù)測控制系統(tǒng)已用于控制具有蒸餾塔的空氣分離設(shè)備。在蒸餾塔中，將待分 離或分餾的多成分進(jìn)料在這樣的條件下引入到蒸餾塔內(nèi)，在該條件中，待分離的混合物的 上升的蒸汽相與其下降的相接觸，接觸的方式使得蒸汽相當(dāng)上升時(shí)變得更富集混合物中的 輕的或更揮發(fā)的成分，且液體向在下降時(shí)變得更富集混合物中的更重的或不易揮發(fā)的成 分。此接觸由可以是結(jié)構(gòu)化的或隨機(jī)的填料或篩盤的質(zhì)量傳遞元件提供。某些類型的蒸餾塔設(shè)計(jì)為產(chǎn)生高純度和超高純度的產(chǎn)品，即產(chǎn)品具有大于大致99. 99%體積百分比的純度。這樣的塔對于液體/蒸汽比特別地敏感且可能具有多個(gè)穩(wěn)態(tài) 溫度曲線，這些穩(wěn)態(tài)溫度曲線將基于在塔內(nèi)上升的蒸汽量和引入到塔的熱量而從一個(gè)曲線 迅速地改變到另一個(gè)曲線。作為結(jié)果，在由進(jìn)料組成改變導(dǎo)致的擾動(dòng)情況期間，可能難于控 制塔內(nèi)的液體與蒸汽比且因此難于控制產(chǎn)品純度?？刂频牧硪粋€(gè)更一般性問題是，模型預(yù)測控制器當(dāng)與某些類型的系統(tǒng)聯(lián)合使用時(shí) 可能非常難于調(diào)整，這些系統(tǒng)可能包括蒸餾塔。難度因多變量系統(tǒng)產(chǎn)生，在該多變量系統(tǒng) 中，兩個(gè)或更多操縱變量的每個(gè)的移動(dòng)影響了兩個(gè)或更多共同被控變量的值。例如，在蒸餾 塔情況中，回流流動(dòng)控制閥位置可以在模型預(yù)測控制系統(tǒng)中表現(xiàn)為將影響塔的頂部部分以 及塔的底部部分內(nèi)的溫度的一個(gè)操縱變量。一般地講，添加回流趨向于對整個(gè)塔冷卻?？?以通過控制到塔的進(jìn)料內(nèi)的蒸汽量的閥來控制蒸餾塔內(nèi)的蒸汽流量。相同的閥可以稱為控 制熱添加，因?yàn)樵谶@樣的系統(tǒng)中的蒸汽餾分可以通過控制蒸發(fā)的液體量來控制。這樣的閥 的位置可以在模型預(yù)測控制器中通過另一個(gè)操縱變量表示，該操縱變量也對蒸餾塔的頂部 部分和底部部分內(nèi)的溫度具有影響。在這樣的情況下，控制器的調(diào)整變成費(fèi)時(shí)的且困難的 問題。如將討論，本發(fā)明在一個(gè)方面中涉及通過模型預(yù)測控制來控制蒸餾塔的方法，其 中控制器能在一定溫度水平下更積極地起反應(yīng)，以防止產(chǎn)品從要求的產(chǎn)品純度偏離。在另 一個(gè)方面中，階躍響應(yīng)模型更有效地用于允許更容易地調(diào)整控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了控制蒸餾塔的方法，蒸餾塔具有控制閥，控制閥包括回流流動(dòng)控制 閥以操縱到塔的頂部部分的回流流量，還具有至少一個(gè)用于待分離的進(jìn)料的入口，該入口 位于用于回流流動(dòng)的回流入口下方。進(jìn)料具有變化的溫度，當(dāng)進(jìn)料溫度增加時(shí)，這可以潛在 地影響在蒸餾塔的頂部部分內(nèi)感測到的第一溫度，進(jìn)料還具有變化的組成，當(dāng)進(jìn)料內(nèi)更不 易揮發(fā)的成分增加時(shí)，這也可以潛在地影響第一溫度。根據(jù)此方法，模型預(yù)測控制器以控制器頻率重復(fù)地執(zhí)行。模型預(yù)測控制器具有數(shù) 據(jù)集，數(shù)據(jù)集包括在等于預(yù)測水平的先前時(shí)間期間內(nèi)的記錄，包括作為操縱變量的控制閥 的閥位置，控制閥包括回流流動(dòng)控制閥。數(shù)據(jù)集也包含作為被控變量的感測溫度的相應(yīng)的 實(shí)際值，包括第一溫度，和通過模型預(yù)測控制器預(yù)測的用于被控變量的預(yù)測值。模型預(yù)測控 制器也編程有將操縱變量與被控變量相關(guān)聯(lián)的階躍響應(yīng)模型。在模型預(yù)測控制器的每次執(zhí)行期間，數(shù)據(jù)集以操縱變量的實(shí)際當(dāng)前值更新，且數(shù) 據(jù)集與階躍響應(yīng)模型一起用于計(jì)算預(yù)測誤差(或偏差)。預(yù)測誤差作為偏差應(yīng)用于預(yù)測， 且在預(yù)測水平內(nèi)計(jì)算開環(huán)預(yù)測和閉環(huán)預(yù)測。因此獲得了一組移動(dòng)計(jì)劃以用于操縱變量的移 動(dòng)，以最小化被控變量和相關(guān)目標(biāo)值之間的差異。生成與包含在移動(dòng)計(jì)劃組內(nèi)的初始移動(dòng) 有關(guān)的信號(hào)。將信號(hào)傳遞到使用在控制閥設(shè)定中的控制器，因此實(shí)施了控制閥的初始移動(dòng)。被控變量的第一個(gè)與第一溫度有關(guān)。當(dāng)?shù)谝粶囟鹊闹档陀陂撝禍囟葧r(shí)，控制器使 用第一溫度的值運(yùn)行。當(dāng)?shù)谝粶囟雀哂陂撝禍囟葧r(shí)，控制器利用變換的溫度。變換值從閾 值溫度、第一調(diào)整因數(shù)和溫度改變除以第二調(diào)整因數(shù)的加和而計(jì)算出，第二調(diào)整因數(shù)用于 放大溫度改變的影響。溫度改變通過從當(dāng)前的第一溫度中減去在模型預(yù)測控制程序的先前 執(zhí)行期間感測的第一溫度而計(jì)算出。以此方式，當(dāng)溫度升高到閾值溫度以上時(shí)，控制器對更
4高的溫度而非對實(shí)際溫度起反應(yīng)，且提供更積極的控制移動(dòng)來維持產(chǎn)品純度。在特定的情況中，被控變量的第二個(gè)具有在塔的底部部分處感測到的第二溫度。 進(jìn)料是液體且部分地蒸發(fā)以形成包括蒸汽餾分和液體餾分的兩相進(jìn)料。由液體塔底形成的 蒸發(fā)的塔底流與在引入進(jìn)料到蒸餾塔內(nèi)前進(jìn)料的至少蒸發(fā)的餾分組合，且用于進(jìn)料的至少 一個(gè)入口在位于蒸餾塔的頂部部分和底部部分之間的塔高度處?？刂崎y也包括作為第二操縱變量的進(jìn)料流動(dòng)控制閥，以同時(shí)控制蒸汽和液體餾分 的流量，使得蒸汽餾分的流量增加導(dǎo)致液體餾分的流量的相應(yīng)的降低和第一溫度和第二溫 度的增加，且反之亦然。液體餾分的流量的任何增加降低了第一上面溫度和第二溫度，且反 之亦然。階躍響應(yīng)模型包括將操縱變量的第一個(gè)與被控變量的第一個(gè)和第二個(gè)相關(guān)聯(lián)的第 一和第二階躍響應(yīng)模型。第三和第四階躍響應(yīng)模型分別將第二操縱變量與第一和第二被控 變量相關(guān)聯(lián)。如上所述，這是其中兩個(gè)操縱變量影響兩個(gè)共同的被控變量從而導(dǎo)致模型預(yù)測控 制器的調(diào)整困難的情況。至少一個(gè)入口可以是兩個(gè)分開的入口。進(jìn)料的蒸汽餾分和液體餾分可以分開地通 過兩個(gè)分開的輸入入口引入到蒸餾塔內(nèi)。進(jìn)料可以分為第一次級(jí)流和第二次級(jí)流。次級(jí)流 中的第一個(gè)蒸發(fā)以與蒸發(fā)的液體塔底流組合以形成蒸汽餾分流。蒸汽餾分流引入到兩個(gè)入 口的一個(gè)以將蒸汽餾分引入到蒸餾塔內(nèi)。第二次級(jí)流引入到兩個(gè)分開的入口的另一個(gè)內(nèi)以 將液體餾分引入到蒸餾塔流內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，在其中存在至少兩個(gè)影響了兩個(gè)或更多的共同的被 控變量的操縱變量的情況中，根據(jù)本發(fā)明可以通過將第一階躍響應(yīng)模型與第三階躍響應(yīng)模 型疊加且使得第二操縱變量與第三階躍響應(yīng)模型相關(guān)地用作第一前饋?zhàn)兞慷鵀榈谝槐豢?變量和操縱變量的第一個(gè)計(jì)算開環(huán)預(yù)測和閉環(huán)預(yù)測。通過將第四階躍響應(yīng)模型與第二階躍 響應(yīng)模型疊加且使得第一操縱變量與第二階躍響應(yīng)模型相關(guān)地用作第二前饋?zhàn)兞慷鵀榈?二被控變量計(jì)算開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測。在此情況中，在任何計(jì)算期間，只要涉及到控制器，例如 回流流動(dòng)控制閥的位置僅取決于該閥的移動(dòng)?？刂屏私蛹{到塔內(nèi)的蒸汽餾分的程度的另外 的進(jìn)料流動(dòng)控制閥的溫度影響在開環(huán)和閉環(huán)計(jì)算中被考慮為前饋?zhàn)兞?。因此，控制器調(diào)整 變得比其中在單一的閥的操縱中必須考慮兩個(gè)操縱變量和兩個(gè)被控變量的現(xiàn)有技術(shù)的調(diào) 整情況更容易。本發(fā)明的此后一種方面可應(yīng)用于具有操縱變量以響應(yīng)于過程參數(shù)和與之相關(guān)的 目標(biāo)值的偏差來控制系統(tǒng)的過程參數(shù)的任何系統(tǒng)。本發(fā)明的此特征可應(yīng)用于蒸餾塔且不使 用以上所述的溫度變換技術(shù)。


雖然說明書以明顯地指出了申請人所認(rèn)為的本發(fā)明的主題的權(quán)利要求書為結(jié)論， 但被認(rèn)為當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)將更好地理解本發(fā)明，各圖為圖1是蒸餾塔及其伴隨的控制裝置的示意性表示；圖2是在圖1中圖示的蒸餾塔的多穩(wěn)態(tài)溫度曲線的圖形表示；圖3是為獲得例如在圖2中示出的蒸餾塔的移動(dòng)計(jì)劃所必需的計(jì)算的圖形表示；圖4是可以由用于控制圖1中圖示的蒸餾塔的模型預(yù)測控制系統(tǒng)利用的現(xiàn)有技術(shù)的階躍響應(yīng)模型；圖5是使用于控制圖1中的蒸餾塔的模型的圖形表示；和圖6是根據(jù)本發(fā)明的使用于控制圖1的蒸餾塔的模型預(yù)測控制器的執(zhí)行的圖形表
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具體實(shí)施例方式參考圖1，圖1圖示了蒸餾塔系統(tǒng)1，蒸餾塔系統(tǒng)1包括蒸餾塔2、閥控制器3a和 3b和模型預(yù)測控制器4。蒸餾塔2設(shè)計(jì)為接收液體進(jìn)料10，以通過蒸餾來分離成分，以產(chǎn)生純化后的產(chǎn)品 12作為塔頂餾出物。蒸餾塔2包括質(zhì)量傳遞元件，它在圖示中是篩盤。然而，本發(fā)明可以 應(yīng)用于任何類型的塔，包括具有隨機(jī)或結(jié)構(gòu)化填料的塔。以已知的方式，待分離的混合物的 上升的蒸汽相在塔2內(nèi)上升，且變得更富集了本領(lǐng)域中稱為較輕成分的更具有揮發(fā)性的成 分。當(dāng)液體相在塔2內(nèi)下降時(shí)，下降的液體相接觸通過質(zhì)量傳遞元件的上升的蒸汽相，且變 得更富集了已知為較重的成分的更不易揮發(fā)的成分。液體進(jìn)料10分為第一次級(jí)流14和第二次級(jí)流16。第一次級(jí)流14在蒸發(fā)器內(nèi)或 其他的換熱設(shè)備18內(nèi)蒸發(fā)且與蒸發(fā)的液體塔底流20組合，且引入到蒸餾塔入口 22內(nèi)。液 體塔底流24在換熱器26內(nèi)蒸發(fā)以產(chǎn)生蒸發(fā)的液體塔底流20。第二次級(jí)流16作為液體引 入到蒸餾塔2的液體入口 28內(nèi)。因此，在蒸餾塔2內(nèi)，待分離流的液體和蒸汽餾分分開地引入。然而，應(yīng)理解的是， 前述的蒸汽餾分流和液體餾分流可以在進(jìn)入蒸餾塔2內(nèi)之前組合成兩相流。提供了進(jìn)料流 動(dòng)控制閥30以同時(shí)調(diào)節(jié)待引入到塔2內(nèi)的液體餾分和蒸汽餾分的量。例如，當(dāng)進(jìn)料流動(dòng)控 制閥30移動(dòng)到關(guān)閉位置時(shí)，第二次級(jí)流16的流動(dòng)增加以增加引入到塔2內(nèi)的液體餾分的 量。同時(shí)，蒸汽餾分的量降低。當(dāng)進(jìn)料流動(dòng)控制閥30打開時(shí)發(fā)生了反向的運(yùn)行。進(jìn)料流動(dòng) 控制閥30由閥促動(dòng)器32控制，閥促動(dòng)器32鏈接到已知的閥控制器3a，例如比例積分微分 控制器，使得進(jìn)料流動(dòng)控制閥32可以遠(yuǎn)程地被激活。在塔2內(nèi)通過將回流35引入到蒸餾塔2的頂部部分而初始化下降的液體相?；?流35具有與產(chǎn)品流12相同的組成，或可以具有甚至更高的純度，且因此可以通過在回流凝 結(jié)器(未示出)內(nèi)凝結(jié)已進(jìn)一步純化或未進(jìn)一步純化的產(chǎn)品流12而產(chǎn)生。回流35的流量 由回流流動(dòng)控制閥36控制，回流流動(dòng)控制閥36具有鏈接到閥控制器3b的閥促動(dòng)器37，閥 控制器3b可以與閥控制器3a的類型相同。分別發(fā)送到控制器3a和3b的實(shí)際控制信號(hào)輸入38和39由通過模型預(yù)測控制 器4發(fā)送的信號(hào)產(chǎn)生，該模型預(yù)測控制器4可以是從Aspen Technology Inc. , Ten Canal Park, Cambridge,MA 02141-2201獲得的DMCplus 控制器。控制信號(hào)輸入38和39激活控 制器3a和3b，以基于在塔的頂部部分內(nèi)由溫度傳感器40感測到的第一溫度T1和在塔2的 底部部分內(nèi)由溫度傳感器42感測到的第二溫度T2設(shè)定進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和回流流動(dòng)控 制閥36的位置。溫度傳感器40和42是已熟知的設(shè)備且可以是熱電耦。應(yīng)注意的是，術(shù)語 “第一”和“第二”簡單地用于便于通過區(qū)分實(shí)際感測到的溫度而理解本發(fā)明。此外，如將討 論，也應(yīng)理解的是，可感測另外的溫度作為到模型預(yù)測控制器4的輸入。如本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，當(dāng)回流35的流動(dòng)量增加時(shí)，第一溫度T1將降低且第二溫度T2也將降低。當(dāng)?shù)诙渭?jí)流16的流量增加時(shí)，第二溫度T2將降低。當(dāng)此溫度 降低時(shí)，蒸汽將凝結(jié)且第一溫度T1也將降低。由于同樣的原因，當(dāng)?shù)谝淮渭?jí)流14的流量增 加時(shí)，蒸汽餾分的量且因此引入到塔2內(nèi)的熱將增加，第一溫度T1也將增加，且更多的液體 塔底也將蒸發(fā)以增加第二溫度T2。因此，顯見的是，進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的操縱不僅影響了蒸餾塔2的頂部部分內(nèi)的 溫度，而且影響了蒸餾塔2的底部部分內(nèi)的溫度。這也適用于回流流動(dòng)控制閥36的操縱。當(dāng)例如蒸餾塔2的塔具有非線性溫度特征和多穩(wěn)態(tài)溫度曲線時(shí)，可能發(fā)生復(fù)雜的 控制問題，該非線性溫度特征和多穩(wěn)態(tài)溫度曲線受到通過操縱進(jìn)料流動(dòng)控制閥30而引入 到蒸餾塔2內(nèi)的蒸汽的量和熱的極大影響。例如，參考圖2，為蒸餾塔2圖形的描繪了非線 性溫度分布和多穩(wěn)態(tài)溫度曲線。如圖中可見，溫度曲線取決于蒸汽餾分的百分比的小的改 變。蒸汽餾分通過由第一次級(jí)流14和蒸發(fā)的液體塔底流20形成的組合流而引入到蒸餾塔 2內(nèi)。如從圖2中明顯的，進(jìn)料蒸汽餾分的小改變導(dǎo)致蒸餾塔2的溫度曲線的顯著移動(dòng)。為保證高的產(chǎn)品回收，蒸餾塔2應(yīng)被控制為使得第二溫度T2足夠高以向上驅(qū)動(dòng)產(chǎn) 品或進(jìn)料的更輕的成分。然而，取決于進(jìn)料蒸汽餾分，塔的底部部分內(nèi)，這樣的第二溫度可 以從-252° F至-286° F (-157. 8°至-176. 7° )改變，即在分離級(jí)1至15內(nèi)。這樣的溫 度改變可能由于進(jìn)料中蒸汽餾分的僅大約2. 86%的改變而產(chǎn)生。對比&和&。然而，在蒸 餾塔2的頂部部分內(nèi)感測第一溫度T1時(shí)，塔的中心部分和底部部分內(nèi)的溫度可能增加到更 重的成分已蒸發(fā)且到產(chǎn)品內(nèi)的程度，從而導(dǎo)致了純度擾動(dòng)情況，其中產(chǎn)品純度下降到純度 規(guī)格以下。作為結(jié)果，通過模型預(yù)測控制器4的僅根據(jù)由溫度傳感器40感測到的第一溫度 T1對回流流動(dòng)控制閥36的操縱將對于防止產(chǎn)品流12偏離規(guī)格是低效的。特別是對于高純 度蒸餾塔更是如此。如在以上所指示，模型預(yù)測控制器4發(fā)送電信號(hào)控制信號(hào)38和39到閥控制器3a 和3b，以操縱進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和回流流動(dòng)控制閥36。模型預(yù)測控制器4包含了模型預(yù) 測控制程序，該程序隨著時(shí)間期間過去或控制器頻率連續(xù)地執(zhí)行。此控制器頻率可以小到
一分鐘。附加地參考圖3，圖3圖示了模型預(yù)測控制程序中發(fā)生的事件的圖形表示。在此圖 形表示中，標(biāo)識(shí)為“程序執(zhí)行”的垂直實(shí)線是在程序執(zhí)行時(shí)的縱坐標(biāo)，它指示了被控制的溫 度，例如1\。標(biāo)識(shí)為“k+l”、“k+2”等的水平橫坐標(biāo)表示了等于控制器頻率的時(shí)間增量。在 實(shí)線下方是指示了控制器移動(dòng)或閥的百分比打開(“△『’)的虛線。模型預(yù)測控制程序維持了在程序的執(zhí)行“程序執(zhí)行”時(shí)不斷地更新的數(shù)據(jù)集。數(shù) 據(jù)集包含了在等于預(yù)測水平48 “將來”的先前時(shí)間期間46 “過去”內(nèi)的記錄。數(shù)據(jù)集記錄 了例如進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和回流流動(dòng)控制閥36在先前程序執(zhí)行時(shí)或在“k-1”時(shí)等處的閥 位置49。對應(yīng)于進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和回流流動(dòng)控制閥36的位置的每個(gè)位置，也記錄了用 于第一溫度T1的預(yù)測溫度50和相應(yīng)的實(shí)際溫度52。對于進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和回流流動(dòng) 控制閥36存儲(chǔ)了用于T2的預(yù)測溫度和實(shí)際溫度的類似的集合。將預(yù)測溫度50和實(shí)際溫 度52之間的差異加和，以產(chǎn)生預(yù)測誤差，預(yù)測誤差將在下文中論述。參考圖4，提供了階躍響應(yīng)模型56和58，它們將回流流動(dòng)控制閥36的閥位置的第 一操縱變量與形成了第一被控變量和第二被控變量的第一溫度T1和第二溫度T2相關(guān)聯(lián)。階 躍響應(yīng)模型56和58指示了當(dāng)回流流動(dòng)控制閥36打開大約時(shí)，第一溫度T1和第二溫度
7T2分別下降0. 2039° F和1. 5° F(-17. 6645°C^P -16. 94°C )，以在大約4小時(shí)的預(yù)測水平 后達(dá)到穩(wěn)態(tài)。可以標(biāo)定任何溫度與閥位置之間的預(yù)測。類似地，作為第二操縱變量的進(jìn)料 流動(dòng)控制閥30的位置也相對于階躍響應(yīng)模型60和62考慮。進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的百分比 打開增加1 %分別使第一溫度T1和第二溫度T2在四個(gè)小時(shí)的預(yù)測水平增加0. 6250° F和 5. 5° F(-17. 43°C和-14. 72°C )。如上所述由數(shù)據(jù)集確定的預(yù)測誤差施加到兩個(gè)模型，以在 每次執(zhí)行期間作為反饋控制修改模型。再次返回到圖3，在程序執(zhí)行期間，感測實(shí)際第一溫度T1且將計(jì)算開環(huán)預(yù)測64。 開環(huán)預(yù)測64簡單地是基于對閥位置無進(jìn)一步的改變而計(jì)算的第一溫度T1的被控變量的響 應(yīng)。程序然后計(jì)算用于回流流動(dòng)控制閥36的操縱變量移動(dòng)計(jì)劃66和用于進(jìn)料流動(dòng)控制閥 30的操縱變量移動(dòng)計(jì)劃68。這些移動(dòng)計(jì)劃包括用于回流流動(dòng)控制閥36的移動(dòng)的第一操縱 變量的預(yù)測移動(dòng)，和用于進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的運(yùn)動(dòng)的第二操縱變量的預(yù)測移動(dòng)。移動(dòng)計(jì)劃 被優(yōu)化，以產(chǎn)生閉環(huán)預(yù)測70，閉環(huán)預(yù)測70是指示了第一溫度T1響應(yīng)于移動(dòng)計(jì)劃的預(yù)測移動(dòng) 以允許該第一溫度T1達(dá)到目標(biāo)值的曲線，該目標(biāo)值在實(shí)踐中是在預(yù)測水平上的值的范圍。 雖然未圖示，但同時(shí)的動(dòng)作將是預(yù)測誤差的計(jì)算，用于第二溫度T2的第二被控變量的開環(huán) 預(yù)測和閉環(huán)預(yù)測，它們對于移動(dòng)計(jì)劃66和68具有影響。移動(dòng)71和72的第一個(gè)通過模型預(yù)測控制器4傳遞到閥控制器3a和3b，閥控制器 3a和3b發(fā)送控制信號(hào)76和78到閥促動(dòng)器32和37，以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定進(jìn)料流動(dòng)控制閥30和 回流流動(dòng)控制閥36的位置。前述的對模型預(yù)測控制系統(tǒng)的運(yùn)行的描述是常規(guī)運(yùn)行的一個(gè)。然而，如在上文中 提及，在蒸餾塔2內(nèi)，由于其非線性，通過實(shí)際的第一溫度T1簡單地對回流流動(dòng)控制閥36的 位置控制將必然地不是控制蒸餾塔2的有效的方法。因此，根據(jù)本發(fā)明，在模型預(yù)測控制器 4內(nèi)編程了閾值溫度，在該閾值溫度下控制器必須更積極地動(dòng)作。當(dāng)?shù)谝粶囟萒1處于或低 于閾值溫度時(shí)，模型預(yù)測控制器4簡單地基于測量的實(shí)際溫度進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測計(jì)算， 如在上文中所概述。然而，如果實(shí)際測量的第一溫度T1高于閾值溫度，則在模型預(yù)測控制 器4內(nèi)將使用變換溫度，以在此情形中更積極地進(jìn)行模型預(yù)測控制器4的運(yùn)行。變換的溫 度通過將第一調(diào)整因數(shù)和除以第二調(diào)整因數(shù)的溫度差添加到閾值溫度而計(jì)算出。溫度差通 過從當(dāng)前溫度中減去在模型預(yù)測控制器的先前執(zhí)行時(shí)間中記錄的溫度而獲得。因此，第二 調(diào)整因數(shù)放大了溫度改變的影響。假定溫度增加，則溫度增加將由前述的差異放大，使得在模型預(yù)測控制器4內(nèi)實(shí) 際使用的第一溫度T1大于由溫度傳感器40實(shí)際感測到的溫度。然而，因?yàn)楫?dāng)溫度轉(zhuǎn)為或開 始下降時(shí)，將造成更多的液體塔底，以導(dǎo)致水平檢測器44排除底部液體，這將導(dǎo)致潛在的 有價(jià)值的產(chǎn)品的損失。因此，當(dāng)溫度下降時(shí)，變換溫度的計(jì)算將造成比由溫度傳感器40實(shí) 際感測到的溫度更低的溫度，以由模型預(yù)測控制器4利用。第一和第二調(diào)整因數(shù)經(jīng)驗(yàn)地被 確定，以給出對特定塔的適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。例如，最初可以使用1.0的閾值，且然后適當(dāng)?shù)卦诰€ 調(diào)整，以獲得關(guān)于速度的希望的響應(yīng)。第二調(diào)整因數(shù)可以認(rèn)為是用于改變連續(xù)執(zhí)行時(shí)間之 間的溫度斜率的“斜率改變夸大”參數(shù)。雖然未圖示，但在蒸餾塔2是高純度塔的情況中，可進(jìn)行進(jìn)一步的測量以防止產(chǎn) 品純度規(guī)格的擾動(dòng)。例如，可感測在T1和T2之間且更靠近進(jìn)料入口 22和28的中間溫度且 將其用于控制進(jìn)料流動(dòng)控制閥30。這樣的溫度的增加將被模型預(yù)測控制器4利用以關(guān)閉閥30，使得在蒸餾塔2內(nèi)發(fā)生更少的蒸汽和更少的加熱。以此方式的控制將防止一般地發(fā)生 其中需要更積極的對回流流動(dòng)控制閥的控制的情況。蒸餾塔系統(tǒng)2的另外的問題涉及以上所概述的其中兩個(gè)或更多操縱變量每個(gè)影 響兩個(gè)或更多共同的被控變量的情況下的模型預(yù)測控制裝置4的調(diào)整。模型預(yù)測控制器4 典型地將具有數(shù)個(gè)調(diào)整常數(shù)，例如用于操縱變量的移動(dòng)抑制、穩(wěn)態(tài)優(yōu)化價(jià)值參數(shù)、對于穩(wěn)態(tài) 和動(dòng)態(tài)情況的等涉及(equal concern)誤差(或控制權(quán)重)。然而，因?yàn)槊總€(gè)操縱變量將影 響兩個(gè)被控變量，所以調(diào)整模型預(yù)測控制器4的過程變成困難和費(fèi)時(shí)的過程。例如，在圖5 中圖示的在調(diào)整以階躍響應(yīng)模型編程的模型預(yù)測控制器4中，使用如下的過程(1)對于回流流動(dòng)控制閥36調(diào)整，僅選擇控制T1要求的參數(shù)(注意，對T2的影響 前饋到模型預(yù)測計(jì)算階段)。(2)類似地，對于進(jìn)料流動(dòng)控制閥30，僅選擇僅控制T2溫度要求的調(diào)整參數(shù)且將 其對T1的影響前饋。在兩個(gè)情況中，運(yùn)用“模型解耦”，使得調(diào)整實(shí)施為仿佛在處理多環(huán)系統(tǒng)而非多變 量系統(tǒng)。參考圖5，已發(fā)現(xiàn)有利的是，將模型預(yù)測控制器4編程為使得在調(diào)整方面單一的被 控變量涉及單一的操縱變量。因此，根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的閥位 置的第二操縱變量對第一溫度T1I的第一被控變量的影響被利用，使得該第二操縱變量變 成在第一溫度T1的第一被控變量的開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測的計(jì)算中的第一前饋?zhàn)兞?。這樣，在第 一溫度T1的第一被控變量的開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測的計(jì)算中，階躍響應(yīng)模型56被常規(guī)地使用，而 將第二操縱變量與第一溫度T1相關(guān)聯(lián)的階躍響應(yīng)模型60被使用為使得進(jìn)料流動(dòng)控制閥30 的位置的該第二操縱變量是這樣的計(jì)算中的第一前饋?zhàn)兞俊ｎ愃频?，階躍響應(yīng)模型62被常 規(guī)地利用且階躍響應(yīng)模型58被使用為使得回流流動(dòng)控制閥36的位置被用作前饋?zhàn)兞?。一旦編程，如在上文中所闡述，則模型預(yù)測控制程序以這樣的方式運(yùn)行，其中一個(gè) 閥的調(diào)節(jié)控制一個(gè)溫度，而另一個(gè)閥的運(yùn)動(dòng)雖然對該溫度有影響，但不基于其他溫度預(yù)測 同時(shí)移動(dòng)。已發(fā)現(xiàn)，以此方式編程的控制器的調(diào)整比在圖4中圖示的常規(guī)情況簡單得多。 例如，在常規(guī)的情況中，在兩個(gè)溫度出離控制范圍時(shí)，必須決定哪個(gè)溫度被放棄，因?yàn)橐粋€(gè) 操縱變量僅能控制一個(gè)被控變量。如果模型形式通過引入如在上文中概述的前饋?zhàn)兞慷?耦，則例如移動(dòng)抑制和等涉及誤差的調(diào)整參數(shù)更容易操縱。以此限定了前饋?zhàn)兞康拇诉\(yùn)行 方法可以用于任何系統(tǒng)，其中兩個(gè)操縱變量將影響兩個(gè)共同的被控變量。如可認(rèn)識(shí)到，這也 將應(yīng)用于具有更多的操縱變量和更多的被控變量的復(fù)雜系統(tǒng)。參考圖6，模型預(yù)測控制器4圖示為利用圖5的模型來執(zhí)行。在程序的每次執(zhí)行 時(shí)，階躍響應(yīng)模型56以在80處確定的預(yù)測誤差更新。同時(shí)，回流流動(dòng)控制閥36的閥位置 也已知，且基于進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的位置用作輸入的階躍響應(yīng)模型60在82處標(biāo)識(shí)為“曲 線未來軌跡預(yù)測”的方框內(nèi)的開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測的計(jì)算中用作前饋?zhàn)兞俊Ｓ?jì)算的移動(dòng)計(jì)劃的 第一移動(dòng)然后作為電信號(hào)39傳遞到閥控制器3b，閥控制器3b又發(fā)送控制信號(hào)78到閥促動(dòng) 器37。類似地參考進(jìn)料流動(dòng)控制閥30的位置，階躍響應(yīng)模型62在84處以預(yù)測誤差更 新?；亓髁鲃?dòng)控制閥38的位置和階躍響應(yīng)模型58用作輸入，使得回流流動(dòng)控制閥38的位 置是前饋?zhàn)兞?，以產(chǎn)生用于在86處計(jì)算的第二溫度T2的第二被控變量的開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測。
9計(jì)算移動(dòng)計(jì)劃且移動(dòng)作用中的第一個(gè)通過電信號(hào)38作為輸入傳遞到控制器3a，以通過由 控制信號(hào)76控制的閥促動(dòng)器32的動(dòng)作操縱進(jìn)料流動(dòng)控制閥30。 雖然本發(fā)明已參考優(yōu)選實(shí)施例描述，如本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所想到，可以進(jìn)行多 種變化、省略和添加而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種控制系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)具有操縱變量以響應(yīng)于過程參數(shù)和與之相關(guān)的目標(biāo)值的偏差來控制系統(tǒng)的過程參數(shù)以控制器頻率重復(fù)地執(zhí)行模型預(yù)測控制器；模型預(yù)測控制器具有數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集包括在等于控制的狀態(tài)的預(yù)測水平的先前時(shí)間期間內(nèi)的記錄作為操縱變量和過程參數(shù)的相應(yīng)的實(shí)際值作為被控變量和用于被控變量的預(yù)測值，模型預(yù)測控制器也編程有將操縱變量與被控變量相關(guān)聯(lián)的階躍響應(yīng)模型；在模型預(yù)測控制器的每次執(zhí)行期間，數(shù)據(jù)集以操縱變量的實(shí)際當(dāng)前值更新，利用數(shù)據(jù)集與階躍響應(yīng)模型以計(jì)算預(yù)測誤差，預(yù)測誤差作為偏差應(yīng)用于預(yù)測，且在預(yù)測水平內(nèi)計(jì)算開環(huán)預(yù)測和閉環(huán)預(yù)測，且獲得了一組移動(dòng)計(jì)劃以用于操縱變量的移動(dòng)以最小化被控變量和與所述被控變量相關(guān)的目標(biāo)值之間的差異，且生成與包含在該組移動(dòng)計(jì)劃內(nèi)的初始移動(dòng)有關(guān)的信號(hào)；被控變量包括第一和第二被控變量，操縱變量包括影響了第一和第二被控變量的第一操縱變量和也影響了第一和第二被控變量的第二操縱變量，且階躍響應(yīng)模型包括分別將第一操縱變量與第一和第二被控變量相關(guān)聯(lián)的第一和第二階躍響應(yīng)模型，和分別將第二操縱變量與第一和第二被控變量相關(guān)聯(lián)的第三和第四階躍響應(yīng)模型；通過將第一階躍響應(yīng)模型與第三階躍響應(yīng)模型疊加且使得第二操縱變量與第三階躍響應(yīng)模型相關(guān)地用作第一前饋?zhàn)兞慷鵀榈谝槐豢刈兞亢偷谝徊倏v變量計(jì)算開環(huán)預(yù)測和閉環(huán)預(yù)測，且通過將第四階躍響應(yīng)模型與第二階躍響應(yīng)模型疊加且使得第一操縱變量與第二階躍響應(yīng)模型相關(guān)地用作第二前饋?zhàn)兞慷鵀榈诙豢刈兞坑?jì)算開環(huán)和閉環(huán)預(yù)測；和將信號(hào)傳遞到使用在控制裝置的第一個(gè)和第二個(gè)的設(shè)定中的控制器，以實(shí)施控制裝置的第一個(gè)和第二個(gè)的初始移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 系統(tǒng)是蒸餾塔；被控變量的第一個(gè)是在塔的頂部部分處感測的第一溫度； 被控變量的第二個(gè)是在塔的底部部分處感測的第二溫度；控制裝置的第一個(gè)是第一流動(dòng)控制閥，以控制到塔的頂部部分的回流流量，且使得回 流流量的增加弓I起第一溫度和第二溫度的降低，且反之亦然；在塔內(nèi)待蒸餾的進(jìn)料的蒸汽餾分和液體餾分在位于蒸餾塔的頂部部分和底部部分之 間的塔高度處進(jìn)入蒸餾塔，進(jìn)料是液體，其部分地蒸發(fā)以形成蒸汽餾分，且由液體塔底形成 的蒸發(fā)的塔底流與在引入進(jìn)料到蒸餾塔內(nèi)前的進(jìn)料的至少蒸發(fā)餾分組合；和控制裝置的第二個(gè)是進(jìn)料流動(dòng)控制閥以同時(shí)控制蒸汽餾分和液體餾分的流量，使得蒸 汽餾分的流量增加降低了液體餾分的流量；蒸汽餾分的流量增加使第一溫度和第二溫度增加，且反之亦然。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中進(jìn)料的蒸汽餾分和液體餾分分開地通過兩個(gè)分開的入口引入到蒸餾塔內(nèi)； 所述的進(jìn)料分為第一次級(jí)流和第二次級(jí)流，次級(jí)流中的第一個(gè)蒸發(fā)且與蒸發(fā)的液體塔 底流組合以形成蒸汽餾分流；蒸汽餾分流引入到兩個(gè)分開的入口的一個(gè)，以將蒸汽餾分引入到蒸餾塔內(nèi)；和 第二次級(jí)流引入到兩個(gè)分開的入口的另一個(gè)，以將液體餾分引入到蒸餾塔流內(nèi)。
全文摘要
一種用于控制蒸餾塔的方法，其中在塔(2)的頂部部分內(nèi)感測到的溫度被放大且利用在模型預(yù)測控制器(4)內(nèi)，使得當(dāng)溫度增加超過閾值溫度時(shí)控制更積極。另外，在蒸餾塔(2)內(nèi)，或?qū)嶋H上在其中兩個(gè)或更多操縱變量控制了兩個(gè)或更多共同的被控變量的任何其他系統(tǒng)中，利用特別的建模技術(shù)使得控制器調(diào)整更容易完成。在這樣的建模技術(shù)中，每個(gè)操縱變量假定為可通過單一的階躍響應(yīng)模型影響被控變量且利用了其他的階躍響應(yīng)模型使得控制器(4)將也影響了相同的被控變量的其他的操縱變量(多個(gè)操縱變量)考慮為前饋?zhàn)兞俊?br> 文檔編號(hào)B01D3/42GK101893850SQ20101017377
公開日2010年11月24日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者F·J·克萊因三世, S·A·達(dá)德波, T·C·漢森 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司