本發(fā)明屬于石油化工精餾塔的自動控制領域，特別是二元精餾塔集中式控制方法及系統(tǒng)。

背景技術：

精餾是石化工業(yè)中應用最為廣泛的傳質(zhì)過程，約90％的產(chǎn)品的提純與回收是通過精餾完成。精餾分離的機理主要是利用混合物中不同組分的揮發(fā)度不同進行分離。混合物經(jīng)過精餾塔后，從塔頂或塔底采出的產(chǎn)品滿足一定的純度要求。二元精餾塔主要用來分離含兩種組分的混合物。二元精餾塔是一個多變量過程，內(nèi)部機理復雜，動態(tài)響應遲緩且控制變量與被控變量之間的耦合作用較為嚴重，因此對控制方案提出了較高的要求。在精餾塔的控制方案中，較為簡單的是通過變量配對的方法將多變量的精餾過程拆分成多個單回路進行控制，這種方法在單端組分控制時較為有效，但是其并未對變量之間的耦合作用進行有效的補償，而且配對的準則往往是依照靜態(tài)的相對增益矩陣(RGA)，因此當對塔進行兩端組分控制時，就要對過程進行綜合分析。解耦控制是一個消除變量間耦合的好辦法，但現(xiàn)有的解耦控制中，靜態(tài)解耦雖容易實現(xiàn)，但同樣面臨忽視過程動態(tài)信息的問題，而理想解耦或簡單解耦等動態(tài)解耦方法其解耦器或解耦后過程又難于求取，這都對設計控制器帶來了難度?，F(xiàn)在工業(yè)中約90％的控制器仍為PID控制器，如何設計有效的PID控制器，使其良好地控制二元精餾塔是一個值得研究的問題。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種二元精餾塔集中式控制方法。包括以下步驟：

S1、測量二元精餾塔的各個輸入和各個輸出的數(shù)值，并將測量得到的值變送為電信號；

S2、將S1步驟得到的電信號存儲起來，經(jīng)過存儲時間t后，將電信號傳送至系統(tǒng)辨識模塊；

S3、采用最小二乘辨識算法辨識各個控制通道的傳遞函數(shù)，建立二元精餾塔的傳遞函數(shù)矩陣模型；

S4、根據(jù)S3步驟得到的傳遞函數(shù)模型，計算得到歸一化逆模型的頻率特性，然后通過分析逆模型頻率特性設計濾波器。

S5、根據(jù)S3步驟得到的傳遞函數(shù)模型和S4步驟得到的濾波器，依照給定的魯棒性和動態(tài)性能要求，計算出PID控制器參數(shù)，并確定最終的集中式PID控制器；

S6、利用由S5步驟得到的集中式PID控制器調(diào)節(jié)輸入。

所述存儲時間t為從加入用于辨識各通道的階躍信號時刻起，到輸出達到新的穩(wěn)態(tài)值為止的時間段。

S3的具體過程為：根據(jù)所述階躍信號的幅值h、采樣周期Ts以及采集對象的輸出Y(k)，按照下式計算得到各通道的傳遞函數(shù)中的參數(shù)

θ＝(P^T·P)^-1P^TZ

其中P和Z分別是由h、Ts、Y(k)構成的系數(shù)矩陣，θ為用于標識各支路的傳遞函數(shù)的參數(shù)。

S4的具體步驟為：

S401、求取過程的穩(wěn)態(tài)增益逆矩陣K。

S402、根據(jù)過程傳遞函數(shù)矩陣分別求出與輸出1對應的所有通道中的最小時滯τ₁和與輸出2對應的所有通道中的最小時滯τ_2.。

S403、將與輸出1對應的所有通道的時滯部分減小τ₁，與輸出2對應的所有通道的時滯部分減小τ₂后，得到用于設計濾波器的模型G₀。

S404、選定最大頻率ω_max,在頻率范圍[0,ω_max]上畫出歸一化的逆模型的每一個元素的頻率特性曲線(Nyquist圖)。最大頻率ω_max要滿足歸一化逆模型的所有元素的頻率特性曲線都在復平面的右半平面。歸一化的逆模型元素的頻率特性按下式求出

其中，j為虛數(shù)單位，ω為頻率，K為過程的穩(wěn)態(tài)增益逆矩陣，為逆模型頻率特性矩陣，為歸一化逆模型頻率特性矩陣，下標i和k分別代表矩陣的第i行和k列的元素。

S405、對歸一化逆模型的元素的頻率特性曲線進行逐列分析以確定控制器參數(shù)γ_k的值，下標k表示參數(shù)γ_k對應歸一化逆模型的第k列元素，參數(shù)γ_k的選擇標準是選擇一個較小值使得經(jīng)過補償后的歸一化逆模型的第k列所有元素的頻率特性曲線都在穩(wěn)定區(qū)域，歸一化逆模型的第k列元素按照下式補償

其中，j為虛數(shù)單位，ω為頻率，γ_k為對應的控制器參數(shù)，為歸一化逆模型頻率特性矩陣，為補償后的歸一化逆模型頻率特性矩陣，下標i和k分別代表矩陣的第i行和第k列的元素，

S406、利用得到的補償后的歸一化逆模型，在其每個元素的頻率特性曲線上取N個點，這些點所對應的頻率分別為ω₁，ω₂，…ω_N，其中，ω₁＝0。再利用復曲線擬合的方法得到對應的濾波器的傳遞函數(shù)

其中，Q_ik(s)為由補償后的歸一化逆模型的第i行第k列元素擬合獲得的濾波器，A_ik和B_ik為濾波器對應的參數(shù)值，K_ik為過程的穩(wěn)態(tài)增益逆矩陣的第i行第k列元素，s為拉普拉斯算子，參數(shù)按照如下的復曲線擬合方法求?。?/p>

其中，Q_ik(jω_m)為第i行第k列元素，頻率特性曲線上在頻率取ω_m時對應的復數(shù)，|Q_ik(jω_m)|是求取該復數(shù)的模值，Re(Q_ik(jω_m))是求取該復數(shù)的實部，Im(Q_ik(jω_m))是求取該復數(shù)的虛部，N為選取的頻率點的個數(shù)，a，b，c，d為中間變量。

S5的具體過程為

S501、給定魯棒性指標Ms的值，控制器調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁和λ₂均按照下式求取

S502、計算子PID控制器參數(shù)

其中，K_p為比例增益，K_I為積分增益，K_d為微分增益，T_f為濾波器時間常數(shù)，這些參數(shù)的具體求取方法如下：

可得到最終的帶濾波器的集中式PID控制器為：

其中，C為總的集中式PID控制器，C₁和C₂為上述求取的子PID控制器，Q_ik為之前求取的濾波器。

第二方面，本發(fā)明提供一種二元精餾塔集中式控制系統(tǒng)，包括依次連接的測量變送器和數(shù)據(jù)存儲與輸出單元，數(shù)據(jù)存儲與輸出單元之后還順序連接有系統(tǒng)辨識單元、參數(shù)分析單元和控制器單元，其中

測量變送器，用于采集輸入信號和輸出信號；

數(shù)據(jù)存儲與輸出單元，將所述測量變送器傳送來的數(shù)據(jù)進行存儲，并輸出至系統(tǒng)辨識單元；

系統(tǒng)辨識單元，采用辨識算法識別出各通道的傳遞函數(shù)，構成傳遞函數(shù)矩陣；

參數(shù)分析單元，對過程的傳遞函數(shù)矩陣進行分析，設計出集中式濾波器，并利用定魯棒性指標計算出PID控制器參數(shù)；

控制器單元，利用得到的濾波器參數(shù)和PID控制器參數(shù)構成集中式PID控制器，從而輸出控制信號。

依照本方法設計的控制器，可以有效的降低耦合對于系統(tǒng)輸出的影響，從而使得有效的提升塔頂和塔底采出的產(chǎn)品質(zhì)量。且控制器結(jié)構簡單，易于實現(xiàn)，控制器參數(shù)可以直接獲取，避免了根據(jù)經(jīng)驗整定的過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例二元精餾塔集中式控制方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例二元精餾塔集中式控制系統(tǒng)的結(jié)構圖。

圖3為本發(fā)明實施例歸一化逆模型的每個元素在規(guī)定頻段內(nèi)的頻率特性曲線。

圖4為本發(fā)明實施例歸一化逆模型的每個元素的穩(wěn)定性判斷原理圖。

圖5為本發(fā)明實施例補償后的歸一化逆模型的每個元素在規(guī)定頻段內(nèi)的頻率特性曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

以組分為甲醇和水的二元精餾塔為例，該過程選取的輸入(控制變量)為塔頂?shù)幕亓髁亢退椎恼羝髁浚敵?被控變量)選擇為塔頂甲醇組分的摩爾分數(shù)和塔底甲醇的摩爾分數(shù)。過程的輸入與輸出之間存在較強的耦合，控制目標為塔頂與塔底的產(chǎn)品中的甲醇的摩爾分數(shù)均要達到設定的要求。二元精餾塔集中式控制方法實施例如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、從過程的輸入端測量塔頂回流量值，塔底蒸汽流量值，從過程輸出端測量塔頂與塔底的甲醇摩爾分數(shù)，將流量值和摩爾分數(shù)變送為電信號；

步驟2、存儲步驟1中的電信號，直到滿足辨識各通道所需要的數(shù)量后，將電信號傳送至系統(tǒng)辨識模塊；

步驟3、依照設定的最小二乘辨識算法識別各通道的傳遞函數(shù)，并把辨識出的傳遞函數(shù)組成傳遞函數(shù)矩陣；

經(jīng)辨識，得到的傳遞函數(shù)矩陣為：

其中，y₁和y₂分別為塔頂和塔底產(chǎn)物中的甲醇的摩爾分數(shù)，R和S分別為塔頂回流量和塔底加熱蒸汽流量。

步驟4、利用辨識得到的過程模型，分析設計集中式濾波器。

(1)首先可以求出過程穩(wěn)態(tài)增益逆矩陣K

(2)與輸出1(塔頂采出的產(chǎn)品中甲醇的摩爾分數(shù))相關的最小時滯為1，與輸出1(塔底采出的產(chǎn)品中甲醇的摩爾分數(shù))相關的最小時滯為3，即τ₁＝1,τ₂＝3。

(3)將與輸出1對應的所有通道的時滯部分減小τ₁，與輸出2對應的所有通道的時滯部分減小τ₂，得到用于設計濾波器的模型G₀。

(4)選取最大頻率ω_max＝10^-2，然后在[0,ω_max]上，根據(jù)G₀畫出歸一化逆模型的每個元素的頻率特性曲線，如圖3所示。

(5)分析元素的穩(wěn)定性從而確定控制器參數(shù)γ_k，元素的穩(wěn)定性依照圖4進行判斷。圖4中，實軸和垂直于實軸的虛線(實部恒為1的復數(shù)組成的直線)將復平面的右半平面分成了4個區(qū)域，如果歸一化逆模型元素的頻率特性曲線在區(qū)域Ⅱ或區(qū)域Ⅲ，元素是穩(wěn)定的，如果在區(qū)域Ⅰ或區(qū)域Ⅳ，元素不穩(wěn)定，因此要對歸一化逆模型進行補償，使得補償后的歸一化逆模型的所有元素的頻率特性曲線都在區(qū)域Ⅱ或區(qū)域Ⅲ。這樣濾波器將利用補償后的歸一化逆模型求取。由于引入補償器后勢必會引入不必要的動態(tài)，因此在設計控制器時是要盡可能的抵消這部分動態(tài)，所以補償器參數(shù)γ_k會出現(xiàn)在控制器中，成為控制器參數(shù)。參數(shù)γ_k的選擇標準是選擇一個較小值，使得經(jīng)過補償后的歸一化逆模型的第k列所有元素的頻率特性曲線都在穩(wěn)定區(qū)域，由于同一個補償器將補償原歸一化逆模型一整列的元素，例如，含有參數(shù)γ₁的補償器將作用與第一列的兩個元素，含有參數(shù)γ₂的補償器將作用與第二列的兩個元素，因此γ₁將選擇為能使補償后逆模型第一列兩個元素同時穩(wěn)定的較小值，γ₂將選擇為能使補償后逆模型第二列兩個元素同時穩(wěn)定的較小值。此例中，經(jīng)計算，可選γ₁＝2，γ₂＝10。由此可得補償后元素的頻率特性曲線如圖5所示，由圖5所示，經(jīng)補償后，所有的元素的頻率特性曲線都在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。因此將利用補償后的元素的頻率特性曲線擬合濾波器。

(6)逐一在每個補償后的元素的頻率特性曲線上取100個點，這些點對應的頻率分別為ω₁,ω₂,……ω₁₀₀，ω₁＝0。以第一行第一列的元素為例，求取的濾波器參數(shù)為：

依照此法，可求出整個濾波器矩陣為：

步驟5、基于獲得的過程傳遞函數(shù)矩陣和設計的濾波器，確定PID控制器參數(shù)。

(1)給定魯棒性指標Ms＝1.6，由以獲得的與各個輸出相關的最小時滯τ₁＝1,τ₂＝3，可以求出確定控制器的另外一組參數(shù)：

(2)利用求出的參數(shù)λ₁和λ₂，以及由步驟4獲得的γ₁和γ₂，可以確定最終的PID參數(shù)，帶入公式可得：

由此得到最終的集中式PID控制器為：

步驟6、利用求出的PID控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的塔頂回流量和塔底的加熱蒸汽量。

本實施例為二元精餾塔集中式控制系統(tǒng)，其結(jié)構如圖2所示。

本實施例除了包含一個二元精餾塔外，還包括：測量變送器，用于測量塔頂回流量，塔底加熱蒸汽量以及塔頂和塔底采出的甲醇摩爾分數(shù)，并將以上參數(shù)變送為電信號；

數(shù)據(jù)存儲與輸出單元，將來自測量變送器的信號存儲起來，直到滿足辨識各通道所需要的數(shù)據(jù)量，再將信號輸出到系統(tǒng)辨識單元；

系統(tǒng)辨識單元，用于通過計算，辨識出各支路的傳遞函數(shù)；

參數(shù)分析單元，對過程的傳遞函數(shù)矩陣進行分析，設計出集中式濾波器，并利用給定魯棒性指標計算出PID控制器參數(shù)；

控制器單元，利用得到的濾波器參數(shù)和PID控制器參數(shù)構成集中式PID控制器，從而輸出控制信號。

上述實施例僅是對本發(fā)明精神的展示，本發(fā)明并不僅限制于本實施例。