專利名稱：一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾塔節(jié)能控制系統(tǒng)與方法設(shè)計問題，尤其提出了一種內(nèi)部熱耦合精 餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
精餾過程是化工過程中的一種核心過程，精餾塔是其中的一個關(guān)鍵單元。長久以 來，精餾塔因為高耗能，低能效的問題成為國際精餾領(lǐng)域研究的焦點。目前針對精餾過程的 能耗問題主要有兩方面的解決方案一種設(shè)計新型結(jié)構(gòu)，利用熱量耦合實現(xiàn)能量重復(fù)利用 達到節(jié)能目的，一種設(shè)計高效精餾過程控制策略，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量減少廢料從而達到節(jié) 能目的。盡管有較多實驗研究證明內(nèi)部熱耦合精餾塔能夠顯著提高能源利用率，但是由于 內(nèi)部熱耦合精餾塔的精餾段與提餾段之間存在極強的耦合性且該塔具有十分復(fù)雜的強非 線性，該塔的控制策略設(shè)計顯得尤為困難。傳統(tǒng)的PID，內(nèi)膜控制方案等已經(jīng)不能滿足要求，在內(nèi)部熱耦合高純精餾過程控制 當中，這些方案已經(jīng)很難使過程穩(wěn)定。而基于線性辨識模型的預(yù)測控制方案只能工作在穩(wěn) 態(tài)工作點附近，稍微增大干擾幅度，或者設(shè)定值階躍變化系統(tǒng)控制質(zhì)量則出現(xiàn)明顯下降。實 現(xiàn)內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制方案對于該高效節(jié)能過程具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的內(nèi)部熱耦合精餾塔的控制方法的抑制干擾能力差、控制效果差的 不足，本發(fā)明提供一種抑制干擾能力良好、控制效果好的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性 控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連 接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智 能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，所述的上位機包括用以計算輸出內(nèi)部熱耦合精 餾塔控制變量值的高純非線性控制器，所述高純非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算內(nèi)部熱耦合精餾塔 各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結(jié)果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，采用式(1) (2)得 到 其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η 為塔底編號，Xi(k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，TiGO為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼常數(shù)；參考軌跡計算模塊，用以實現(xiàn)拐點位置設(shè)定值的在線更新，采用式(3) (4)得到 其中，Xmin,r, Xmax, r, kr, Xmin, s, Xmax, s, ks為模型參數(shù)，Y1*, X；分別為塔頂?shù)钠噍p組 分濃度Y1、塔底的液相輕組分濃度Xn的設(shè)定值，S；, S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提 餾段拐點位置參考軌跡；高純非線性控制律求解模塊，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，參考軌跡和當前時刻 操作變量值求取當前的控制變量的理想改變值，采用式(5)-(12)得到 V1 (k) = F (l_q (k) - Δ q (k) X t)Ln (k) = F (q (k) + Δ q (k) X t) Vf (k) = V1 (k)+Lm (k) 其中，k為當前采樣時刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱 速率，Xi+M (k)為k采樣時刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時刻進料熱 狀況，Pr (k)為當k采樣時刻精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vjk)、Vf(k)、 Vn(k)分別為k采樣時刻塔頂、進料板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lh (k)、Llri (k)、Ln(k)分 別為k采樣時刻塔頂、第f_l塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為 汽化潛熱，X1 (k)、X2 (k)、Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第2塊塔板、第n-1塊塔板 和塔底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第n-1塊塔板和塔 底的汽相輕組分濃度，K1, K2, K3, K4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr(k),Sr(i)分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位 置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位 置，Aq(k), APr(k)分別為當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓 強的當前理想改變值。作為優(yōu)選的一種方案所述的上位機還包括人機界面模塊，用于設(shè)定采樣周期t， 控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂?shù)钠噍p組分濃度的設(shè)定值ΥΛ塔底的液相輕組分濃度的 設(shè)定值χΛ并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制方法，所述的控制方法包括以下步驟1)確定采樣周期t，并將t值，相對揮發(fā)度α，提餾段壓強Ps，安東尼常數(shù)a、b、C、 保存在歷史數(shù)據(jù)庫當中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂?shù)钠噍p組分濃度的設(shè)定值ΥΛ塔底的液 相輕組分濃度的設(shè)定值Xn*;3)從現(xiàn)場智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度 Ti,計算液相輕組分濃度值，采用式(1) (2)得到 其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η 為塔底編號，Xi(k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾 段壓強、Ps提餾段壓強，TiGO為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線計算拐點參考軌跡 如式⑶⑷ 其中，Xfflin, Xmax, r、kr、Xfflin, s> Xfflax, s> ks為模型參數(shù)，ΥΛ X；分別為塔頂?shù)钠噍p組 分濃度Y1、塔底的液相輕組分濃度Xn的設(shè)定值，S；,S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提 餾段拐點位置參考軌跡；5)根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量 的理想改變值，采用式(5) (12)得到
(5)
(6) 圖2是上位機控制器實現(xiàn)方法的原理圖。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明。實施例1參照

圖1，圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括與 內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表2和DCS系統(tǒng)13，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置 4、控制站5和上位機6，所述現(xiàn)場智能儀表2與存儲裝置4、控制站5和上位機6通過現(xiàn)場 總線和數(shù)據(jù)接口 3依次相連；所述的智能儀表用以實現(xiàn)檢測模塊7的功能即檢測得到內(nèi)部 熱耦合精餾塔的溫度、壓強數(shù)據(jù)，所述的數(shù)據(jù)接口用以實現(xiàn)I/O模塊8的功能即數(shù)據(jù)的輸 入輸出，所述的上位機包括用以計算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純非線性控制 器，所述高純非線性控制器包括組分推斷模塊9，參考軌跡計算模塊10，高純非線性控制律 求解模塊11 ；組分推斷模塊9，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算內(nèi)部熱耦合精餾 塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結(jié)果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，采用式(1) (2)得 到
其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η 為塔底編號，Xi (k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr (k)為k采樣時刻精餾 段壓強、Ps提餾段壓強，TiGO為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼(Antonie)常數(shù)。 參考軌跡計算模塊10，實現(xiàn)拐點位置設(shè)定值的在線更新，采用式(3) (4)得到
其中，
為模型參數(shù)，ΥΛ X；分別為塔頂?shù)钠噍p組 分濃度Y1、塔底的液相輕組分濃度Xn的設(shè)定值值，S；,S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段， 提餾段拐點位置參考軌跡。高純非線性控制律求解模塊11，根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，參考軌跡和當前時刻操 作變量值求取當前的控制變量的理想改變值，采用式(5) (12)得到 “ a-ln{ps/[Xi+f_i(k)+(\-Xi+ /_ι(Λ))/α]})V1 (k) = F (1-q (k) - Δ q (k) X t)Ln (k) = F (q (k) + Δ q (k) X t) 其中，k為當前采樣時刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱 速率，Xi+M (k)為k采樣時刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時刻進料熱 狀況，Pr (k)為當k采樣時刻精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vjk)、Vf(k)、 Vn(k)分別為k采樣時刻塔頂、進料板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf_i (k)、Ln_i (k)、Ln(k)分別 為k采樣時刻塔頂、第f-1塊塔板、第η-l塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化 潛熱，X1 (k)、X2 (k)、Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第2塊塔板、第η-l塊塔板和塔 底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、T2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第η-l塊塔板和塔底的 汽相輕組分濃度，ki; k2，k3，1^4為控制律參數(shù)，ki; k2 e [2,200], k3, k4 e
，根據(jù)具 體操作對象特性具體調(diào)節(jié)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr (k)、Sr (i)分別為 k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k 和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Aq(k), APr(k)分別為 當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理想改變值。所述的上位機包括人機界面模塊12，用于設(shè)定采樣周期t，控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂?shù)钠噍p組分濃度的設(shè)定值Y久塔底的液相輕組分濃度的設(shè)定值X:，并顯示控制 器的輸出曲線和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。實施例2參照圖1和圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制方法，所述的控制方法 包括以下步驟1)確定采樣周期T，并將T值，相對揮發(fā)度α，提餾段壓強Ps，安東尼(Antonie)常 數(shù)a、b、C、保存在歷史數(shù)據(jù)庫當中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂?shù)钠噍p組分濃度的設(shè)定值ΥΛ塔底的液 相輕組分濃度的設(shè)定值Xn*;3)從智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti,
9
(7) ⑶
(10) (11) 其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η 為塔底編號，Xi(k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精溜 段壓強、Ps提餾段壓強，TiGO為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼(Antonie)常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線計算拐點參考軌跡 如式⑶⑷ 其中，Xmin, r、Xfflax, r> kr、Xfflin, s> Xfflax, s> ks為模型參數(shù)，ΥΛ X；分別為塔頂?shù)钠噍p組 分濃度Y1、塔底的液相輕組分濃度Xn的設(shè)定值，S；, S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提 溜段拐點位置參考軌跡；5)根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量
的理想改變值，采用式(5)-(12)得到 其中，k為當前采樣時刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱 速率，Xi+M (k)為k采樣時刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時刻進料熱 狀況，Pr (k)為當k采樣時刻精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vjk)、Vf(k)、 Vn(k)分別為k采樣時刻塔頂、進料板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf_i (k)、Ln_i (k)、Ln(k)分別 為k采樣時刻塔頂、第f-1塊塔板、第η-l塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化 潛熱，X1 (k)、X2 (k)、Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第2塊塔板、第η-l塊塔板和塔 底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第η-l塊塔板和塔底的 汽相輕組分濃度，ki; k2，k3，1^4為控制律參數(shù)，ki; k2 e [2,200], k3, k4 e
，根據(jù)具 體操作對象特性具體調(diào)節(jié)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr (k)、Sr (i)分別為 k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k 和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Aq(k), APr(k)分別為 當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理想改變值；6)將當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理 想改變值A(chǔ)q(k)，APr(k)輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整內(nèi)部熱耦合精餾塔的進料熱狀 況值和精餾段壓強值。所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中的存儲裝置4，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口 3、 存儲裝置4和控制站5，其中，控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示內(nèi)部熱耦合精餾塔工作過 程狀態(tài)。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，其特征在于所述的上位機包括用以計算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純非線性控制器，所述高純非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算內(nèi)部熱耦合精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結(jié)果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，采用式(1)(2)得到 <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mi>&alpha;</mi><mo>&times;</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>-</mo><mi>a</mi><mo></mo> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow>i＝1，2，……，f 1 (1) <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> 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<mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>&Delta;Pr</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mo>[</mo> <msub><mi>X</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>]</mo> <mo>}</mo></mrow> </mfrac></mrow> </mrow>i＝1，2，……，f 1 (6) <mrow><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>a</mi><mo>-</mo><mi>ln</mi><mo>{</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>S</mi></msub><mo>/</mo><mo>[</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mi>f</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>X</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mi>f</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>&alpha;</mi><mo>]</mo><mo>}</mo> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow>V1(k)＝F(1 q(k) Δq(k)×t) (7)Ln(k)＝F(q(k)+Δq(k)×t)(8) <mrow><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>f</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>f</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mfrac> <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>&lambda;</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>Vf(k)＝V1(k)+Lf 1(k)(10) <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>Y</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>X</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> 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1塊塔板和塔底的汽相輕組分濃度，K1，K2，K3，K4為控制律參數(shù)，Sr*，Ss*分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr(k)、Sr(i)分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Δq(k)、ΔPr(k)分別為當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理想改變值。
1. 一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接 的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智能 儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，其特征在于所述的上位機包括用以計算輸出內(nèi)部 熱耦合精餾塔控制變量值的高純非線性控制器，所述高純非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算內(nèi)部熱耦合精餾塔各塊 塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結(jié)果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，采用式(1) (2)得到X (幻=乃⑷XQXlO b -1 i = 1，2，……，f-Ι⑴1a-\Ti(k)+c aXi{k) = pSxaxl0 b -1 i = f,f+l,……，η⑵1α-\其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔 底編號，Xi (k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr (k)為k采樣時刻精餾段壓 強、Ps提餾段壓強，Ti (k)為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安 東尼常數(shù)；參考軌跡計算模塊，用以實現(xiàn)拐點位置設(shè)定值的在線更新，采用式(3) (4)得到s: -= U,……,f-Ι⑶K KY； l[a-{a-\)Y;]-XmJS = η +) i = f, f+1,……，η(4)其中，Xmi , r^ Xmax, kr, Xfflin, s, Xfflax, s, ks為模型參數(shù)，Y1*, X:分別為塔頂?shù)钠噍p組分濃 度Y1、塔底的液相輕組分濃度Xn的設(shè)定值，S；, S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提餾段 拐點位置參考軌跡；高純非線性控制律求解模塊，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，參考軌跡和當前時刻操作 變量值求取當前的控制變量的理想改變值，采用式(5)-(12)得到■、二 ) + 1土 = 1，2，……，η(5)Qi{k) = UAχ(/t)+APr(/t)xt)/[X (/t)+(1_X (/t))/a]}i =1,2， ......，f-1(6)(7)(8)10)(11)92 其中，k為當前采樣時刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時刻第i塊塔板的 液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率， Xi+M (k)為k采樣時刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時刻進料熱狀況， Pr(k)為當k采樣時刻精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vjk)、Vf(k)、Vn(k) 分別為k采樣時刻塔頂、進料板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf^1 (k)、Ln^1 (k)、Ln(k)分別為k 采樣時刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化潛 熱，X1 (k)、X2 (k)、Xn_i (k)、Xn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第2塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的 液相輕組分濃度，Y1 (k)、T2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第n-1塊塔板和塔底的汽相 輕組分濃度，K1, K2, K3, K4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr (k)、 Sr⑴分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss (k)、 Ss(i)分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，AqGO、 Δ Pr (k)分別為當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理 想改變值。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的上位機還包括人機界面模塊，用于設(shè)定采樣周期t，控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂?shù)钠?相輕組分濃度的設(shè)定值ΥΛ塔底的液相輕組分濃度的設(shè)定值X:，并顯示控制器的輸出曲線 和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。
3.一種用如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)實現(xiàn)的高純 非線性控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步驟1)確定采樣周期t，并將t值，相對揮發(fā)度α，提餾段壓強Ps，安東尼常數(shù)a、b、C、保存 在歷史數(shù)據(jù)庫當中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1,K2, K3, K4和塔頂?shù)钠噍p組分濃度的設(shè)定值ΥΛ塔底的液相輕 組分濃度的設(shè)定值Xn*;3)從現(xiàn)場智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti， 計算液相輕組分濃度值，采用式(1) (2)得到 其中，k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔 底編號，Xi (k)為k采樣時刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr (k)為k采樣時刻精餾段壓 強、Ps提餾段壓強，Ti (k)為k采樣時刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安 東尼常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線計算拐點參考軌跡如式 ⑶⑷ 其中，Xfflin, Xfflax, kr, Xfflin, Xfflax, ks為模型參數(shù)，ΥΛ Xn*分別為塔頂塔底產(chǎn)品濃度設(shè) 定值，S/、S；分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提餾段拐點位置參考軌跡；5)根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量的理想改變值，采用式(5)-(12)得到 其中，k為當前采樣時刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時刻第i塊塔板的 液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率， Xi+M (k)為k采樣時刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時刻進料熱狀況， Pr (k)為當k采樣時刻精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，VjkhVjkhVjk)分 別為k采樣時刻塔頂、進料板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf^1 (k)、Llri (k)、Ln(k)分別為k采 樣時刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化潛熱， X1 (k)、X2 (k)、Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第2塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液 相輕組分濃度,Y1GOj2 (k)、Tn(k)分別為k采樣時刻塔頂、第n-1塊塔板和塔底的汽相輕組 分濃度，ki; k2，k3，k4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點參考軌跡，Sr(k),Sr(i) 分別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss (k)、Ss(i)分 別為k和i采樣時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Aq(k)，APr(k)，4分別為當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理想改變 值；6)將當前時刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的當前理想改 變值A(chǔ)q(k)，APr(k)輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整內(nèi)部熱耦合精餾塔的進料熱狀況值 和精餾段壓強值。
4.如權(quán)利要求3所述的高純非線性控制方法，其特征在于所述歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系 統(tǒng)的存儲裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示內(nèi)部熱耦合精餾塔工作過程狀態(tài)。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，所述的上位機包括用以計算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純非線性控制器，所述高純非線性控制器包括組分推斷模塊、參考軌跡計算模塊和高純非線性控制律求解模塊。本發(fā)明也提供了一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純非線性控制方法。本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)及方法能夠很好地處理高純熱耦合節(jié)能精餾的強非線性特征，具有高效的在線運算速度，并具有非常好的伺服跟蹤控制效果，干擾抑制效果。
文檔編號B01D3/14GK101890247SQ201010213860
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔 申請人:浙江大學(xué)