專利名稱：一種空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法
一種空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于空氣分離控制工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及空分生產(chǎn)過程中自動變負(fù)荷的優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
在空分裝置的內(nèi)壓縮工藝流程中，如

圖1所示，原料空氣經(jīng)過一系列的壓縮、凈化、增壓、膨脹和換熱等操作環(huán)節(jié)后，進(jìn)入下塔，在下塔進(jìn)行初步分餾操作得到富氧液空，進(jìn)一步的分餾則將富氧液空送入上塔來完成；經(jīng)上塔的精餾，將獲得產(chǎn)品液氧、液氮、氮氣，其中液氬的提取是通過從上塔中下部抽取一定量的氬餾分，經(jīng)兩級粗氬塔和一級精氬塔精餾后獲得；氧氣則是通過將部分液氧送入主換熱器中回收冷量后獲得的。而在空分裝置的生產(chǎn)過程中，外部管網(wǎng)對生產(chǎn)氣體的需求常呈現(xiàn)周期性、階段性、間歇式等特征，如轉(zhuǎn)爐頂吹間斷用氧的特點，會直接導(dǎo)致氧氣管網(wǎng)負(fù)荷頻繁變化。若空分裝置的負(fù)荷不作相應(yīng)調(diào)整，必然在氧氣需求較低時，放散部分多余的氧氣。據(jù)統(tǒng)計，近5年來我國鋼鐵企業(yè)氧氣放散量平均值高達(dá)7% 12%，這種無功生產(chǎn)會造成大量的能耗與經(jīng)濟(jì)損失。由于空分裝置具有流程復(fù)雜、耦合嚴(yán)重，以及大范圍變負(fù)荷所產(chǎn)生的非線性等特點，人工變負(fù)荷操作存在工況難以穩(wěn)定、組分波動較大等問題。因此，空分裝置的自動變負(fù)荷技術(shù)成為當(dāng)今空分行業(yè)的迫切需求。
目前，在空分裝置變負(fù)荷控制過程中存在著一些瓶頸，給自動變負(fù)荷控制系統(tǒng)的順利實現(xiàn)帶了一定的困難。
首先，在空分裝置中大量使用了熱集成與物料再循環(huán)技術(shù)，使得空分裝置具有典型的能量與物料高度耦合的特征。如上、下塔共用一個冷凝蒸發(fā)器；下塔液空一部分直接作為上塔中部回流液，另外一部分為粗氬塔冷凝器提供冷量，最后返回到空分上塔參與精餾， 形成了帶有正反饋性質(zhì)的能量與物料的內(nèi)部循環(huán)，延緩了過程的整體動態(tài)響應(yīng)。這些因素加大了空分變負(fù)荷操作難度，使得在變負(fù)荷過程中，不能單獨對裝置的各個單元進(jìn)行調(diào)節(jié)， 故常規(guī)的PID控制難以勝任空分變負(fù)荷的控制。
其次，空分裝置大范圍變負(fù)荷會引起過程的非線性控制要求。由于空分生產(chǎn)過程的本質(zhì)是非線性的，在空分裝置大范圍變負(fù)荷時，使得相應(yīng)的過程控制從傳統(tǒng)某一操作區(qū)域內(nèi)的線性控制，轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足空分裝置在大范圍操作區(qū)域內(nèi)要求的非線性控制。
再次，升、降負(fù)荷必然要對表征操作工況的變量進(jìn)行相應(yīng)改變，這就提出了這些變量變化目標(biāo)的問題。這是因為在空分生產(chǎn)過程除了滿足設(shè)備約束、產(chǎn)品純度等基本控制要求以外，還存在裝置的優(yōu)化操作要求，然而在不同的負(fù)荷工況下，空分裝置具有不同的操作條件使得生產(chǎn)的能耗最低。發(fā)明內(nèi)容
針對目前空分行業(yè)缺乏一套有效的自動變負(fù)荷控制方案，本發(fā)明提供一種優(yōu)化控制策略來實現(xiàn)裝置自動變負(fù)荷的目標(biāo)，它能夠很好的適應(yīng)空分裝置自動變負(fù)荷操作的動態(tài)特性、強烈的非線性和回路之間的耦合性等工藝特點，實現(xiàn)自動變負(fù)荷過程中安全、效能地運行。
本發(fā)明解決其技術(shù)難點所采用的技術(shù)方案如下
一種空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，它包含三個部分
模塊一、增益調(diào)度模塊，是基于操作軌跡LPV模型的增益調(diào)度模塊；
模塊二、動態(tài)多變量模型預(yù)測控制模塊，是基于LPV增益調(diào)度模塊的預(yù)測控制系統(tǒng)；
模塊三、工藝實時優(yōu)化模塊，是工藝的動態(tài)實時優(yōu)化RTO模塊；
該空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法具體步驟如下
(1)模塊三根據(jù)裝置的變負(fù)荷要求，計算出與負(fù)荷變化相關(guān)的過程變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值，并送入到模塊二中；
(2)模塊一根據(jù)調(diào)度變量的當(dāng)前值確定此時模塊二控制器所采用的預(yù)測模型；
(3)模塊二則在不違背設(shè)備約束與保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，逐步將裝置推向模塊三計算所得到的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點上。
所述模塊一中，將與裝置動態(tài)特性密切相關(guān)的空分負(fù)荷變量作為調(diào)度變量，且基于空分負(fù)荷變量操作軌跡LPV模型的非線性辨識方法建立符合調(diào)度機制的全局線性時變參數(shù)模型，從而來逼近變負(fù)荷過程的非線性特性。
所述全局線性時變參數(shù)模型為
只(t)= β {W)[G\ {q)Ul {t) + .+ Gl (q)um ⑴]
項2(w)[Gl (qX ⑴ +...+ Gl (q)um ⑴]
+L
權(quán)利要求
1.一種空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，它包含三個部分模塊一、增益調(diào)度模塊，是基于操作軌跡LPV模型的增益調(diào)度模塊；模塊二、動態(tài)多變量模型預(yù)測控制模塊，是基于LPV增益調(diào)度模塊的預(yù)測控制系統(tǒng)；模塊三、工藝實時優(yōu)化模塊，是工藝的動態(tài)實時優(yōu)化RTO模塊；該空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法具體步驟如下(1)模塊三根據(jù)裝置的變負(fù)荷要求，計算出與負(fù)荷變化相關(guān)的過程變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值， 并送入到模塊二中；(2)模塊一根據(jù)調(diào)度變量的當(dāng)前值確定此時模塊二控制器所采用的預(yù)測模型；(3)模塊二則在不違背設(shè)備約束與保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，逐步將裝置推向模塊三計算所得到的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述模塊一中，將與裝置動態(tài)特性密切相關(guān)的空分負(fù)荷變量作為調(diào)度變量，且基于空分負(fù)荷變量操作軌跡LPV模型的非線性辨識方法建立符合調(diào)度機制的全局線性時變參數(shù)模型，從而來逼近變負(fù)荷過程的非線性特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述全局線性時變參數(shù)模型為只(0 = β)(q)u, (t) + ...+ Gl (q)um (0]+β·(qX (O + ·-.+ Gl(q)um⑴]+L+...+A^Ki ⑴]其中，Gij(Cu) (i = IL n,j = IL m)是輸入變量Uj (t)到輸出變量yi(t)的過程模型， 權(quán)函數(shù)片卜)(i = IL n, 1 = IL ρ)是調(diào)度負(fù)荷變量w(t)的非線性函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述模塊二中，采用了大控制器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)空分裝置的變負(fù)荷控制功能，其覆蓋范圍包括上塔、 下塔、氬塔、空壓機、增壓機和膨脹機單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述模塊二中，控制算法則采用改進(jìn)的動態(tài)矩陣工業(yè)模型預(yù)測控制算法，它能使空分生產(chǎn)流程中物料與能量間實行解耦控制；所述變負(fù)荷控制器的控制序列為minJ ⑷=a"i’MW厶 MmM{k)ypM(k)-yXk)2+ Wt +Q\UM(k)-Us\l + \l,UM(k)ls· t· yPM(k) = yp0(k) + ADM(w)AUM(k) AUM(k)^ AUM(k) ^ AUM(k) + Um(k)Um(k) ^ UM(k) + 0 彡 λ (k)yPM - M^) ^ yPM (k) ^ yL· + M^)其中，yr(k)是空分變負(fù)荷被控變量的期望參考軌跡；、WM⑷是變負(fù)荷被控變量的操作硬約束；λ (k)是變負(fù)荷被控變量軟約束的松弛變量； (k)-、 (k)+是空分調(diào)節(jié)變量的操作約束；US是調(diào)節(jié)變量期望的穩(wěn)態(tài)輸入值，它是由上層的實時優(yōu)化計算所得的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，模塊三中，采用改進(jìn)的同倫回溯實時優(yōu)化方法來獲得不同負(fù)荷工況下空分裝置的最佳操作條件，使得變負(fù)荷過程的能耗最低；改進(jìn)的同倫實時優(yōu)化方法是利用負(fù)荷的改變來定義同倫參數(shù)S的S= Wtp_Wbp其中，Wbp、Wtp分別表示在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)下調(diào)度變量的負(fù)荷值，W表示當(dāng)前值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述步驟(1)中的過程變量包括高壓空氣流量、主通路空氣流量、膨脹空氣流量、液氧流量和氮氣流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中的調(diào)度變量是氧氣流量的當(dāng)前值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，其特征在于，所述步驟(3)中，模塊二根據(jù)當(dāng)前時刻各操作變量的測量值，計算各操作變量的變化量，根據(jù)各被控變量的當(dāng)前測量值來校正其預(yù)測值，由預(yù)測控制算法依據(jù)控制性能指標(biāo)，優(yōu)化計算出各操作變量的最優(yōu)控制增量，作為各控制回路的設(shè)定值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空分裝置的自動變負(fù)荷多變量控制方法，包含模塊一、增益調(diào)度模塊；模塊二、動態(tài)多變量模型預(yù)測控制模塊；模塊三、工藝實時優(yōu)化模塊；具體步驟如下模塊三根據(jù)裝置的變負(fù)荷要求，計算出與負(fù)荷變化相關(guān)的過程變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值，并送入到模塊二中；模塊一根據(jù)調(diào)度變量的當(dāng)前值確定此時模塊二控制器所采用的預(yù)測模型；模塊二則在不違背設(shè)備約束與保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，逐步將裝置推向模塊三計算所得到的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點上。本發(fā)明能夠從根本上解決空分裝置大范圍變負(fù)荷過程中能量與物料的相互解耦、非線性控制等問題，實現(xiàn)不同工況間平滑、快速的過渡，保證空分裝置變負(fù)荷操作的品質(zhì)與速度。
文檔編號G05B13/04GK102520615SQ20111044672
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者李華銀 申請人:東方電氣集團(tuán)東方汽輪機有限公司, 四川東方電氣自動控制工程有限公司