專利名稱：基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工精餾過程的先進(jìn)控制領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
精餾過程是石油化工生產(chǎn)過程中一個(gè)很典型很重要的單元過程，它的操作質(zhì)量直接影響著整個(gè)工廠的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。特別隨著經(jīng)濟(jì)全球化和科技的日新月異，人們對(duì)精餾過程的高效性和精密性要求越來越高。高純精餾的概念也就因此越來越得到國內(nèi)外的關(guān)注，其重要性更是不容置疑。
高純精餾過程控制的難題主要在于其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性、非線性、和回路之間的耦合性，傳統(tǒng)的如PID等線性控制方案很難對(duì)其得到較好的控制效果。當(dāng)前社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗等方面的要求使對(duì)高純精餾過程的研究顯的越發(fā)重要。眾多的國內(nèi)外工藝、自控專家對(duì)此做了大量的研究工作，提出了許多先進(jìn)控制理論，也取得了一些令人鼓舞的進(jìn)展。但是鑒于儀表控制系統(tǒng)硬件的限制，使得一些重要的先進(jìn)控制方案很難在石油化工生產(chǎn)過程中實(shí)施。這些年來，隨著計(jì)算機(jī)和DCS在石油化工生產(chǎn)過程中應(yīng)用的逐步普及，使人們有可能應(yīng)用先進(jìn)控制方案改進(jìn)精餾塔的控制手段，從而使達(dá)到提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的精餾塔控制方案的不能適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性、不能得到良好的控制效果的不足，本發(fā)明提供一種能夠解決空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性問題，并得到良好的控制效果的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，包括與精餾塔塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)為一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括組分推斷控制部分和一般模型控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)精餾塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的廣義預(yù)測(cè)控制部分包括I/O元件模塊，用于廣義預(yù)測(cè)控制器的內(nèi)部及控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊，用于將DCS歷史數(shù)據(jù)庫或測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬和得到系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)；A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；模型自校正模塊，用于采用具有遺忘因子的遞推最小二乘算法，在線校正系統(tǒng)模型參數(shù)，具體步驟如下
(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)]；(2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)；(3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb];]]>(4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；滾動(dòng)優(yōu)化模塊，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和廣義預(yù)測(cè)控制算法運(yùn)算，求解控制量u(k)，具體算式如下(5)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (5)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中，Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T；控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到精餾塔。
作為優(yōu)選的一種方案所述的一般模型控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接作為優(yōu)選的再一種方案所述的廣義預(yù)測(cè)控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于將計(jì)算得到的控制變量u(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的XD、XB的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
一種用所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定精餾塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過DCS歷史數(shù)據(jù)庫或做測(cè)試得到的數(shù)據(jù)擬合系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ(3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；(4)置初值P、M、Q、λ、na、nb、ρ、α、θ(0)，其中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長度、M為控制時(shí)域長度、Q為誤差加權(quán)矩陣、λ為控制加權(quán)矩陣、ρ為遺忘因子、α為柔化因子，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb]]]>(5)自校正遞推更新系統(tǒng)模型，具體步驟如下(5.1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)](5.2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)(5.3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其計(jì)算式為(4):θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>
其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣；(5.4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；(6)求解控制量u(k)，具體算式如下(4)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (4)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T(7)將u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給精餾塔。
作為優(yōu)選的一種方案所述的控制方法還包括(8)、在所述的(6)中計(jì)算了控制變量u(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的XD、XB的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，在所述(8)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過程狀態(tài)。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為采用高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分的組成XD、XB作為被控變量，相應(yīng)的塔頂產(chǎn)品的回流比R/(R+D)和塔底產(chǎn)品的再沸比V/B作為控制變量。
推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品組分不能被直接測(cè)量的難題，相對(duì)于在線應(yīng)用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測(cè)量滯后且具有相對(duì)較強(qiáng)的可靠性。廣義預(yù)測(cè)控制部分，用于運(yùn)用廣義預(yù)測(cè)控制算法得到實(shí)時(shí)的控制變量的值。
廣義預(yù)測(cè)控制與傳統(tǒng)PID控制算法不同之處在于算法本身基于矩陣運(yùn)算，能本質(zhì)的解決多變量控制的耦合問題，算法包含了控制對(duì)象參數(shù)自校正模塊，有效的解決了過程非線性問題，近些年DCS的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也使其運(yùn)算速度大大增加，工業(yè)應(yīng)用成為可能。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、能夠適應(yīng)高純精餾塔操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高純精餾過程塔頂塔底雙組分控制的平穩(wěn)操作；2、能夠得到良好的控制效果；3、操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明所提出的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純精餾控制系統(tǒng)的硬件連接圖。
圖2是本發(fā)明的廣義預(yù)測(cè)控制的原理框圖。
圖3是本發(fā)明所提出的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純精餾控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)連接圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，包括與精餾塔1直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)6，智能儀表2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)6依次相連，所述的上位機(jī)6為一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括組分推斷控制部分和一般模型控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊7，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)精餾塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊9，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊10，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的廣義預(yù)測(cè)控制部分11包括I/O元件模塊，用于一般模型控制器的內(nèi)部及控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊11，用于將DCS歷史數(shù)據(jù)庫或測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬和得到系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)；A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；模型自校正模塊12，用于采用具有遺忘因子的遞推最小二乘算法，在線校正系統(tǒng)模型參數(shù)，具體步驟如下(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)]；(2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)；(3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣，θ=[a1,...,ana,b0,...bnb];]]>(4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；
滾動(dòng)優(yōu)化模塊13，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和廣義預(yù)測(cè)控制算法運(yùn)算，求解控制量u(k)，具體算式如下(5)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (5)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中，Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到精餾塔。
所述的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)12，所述的DCS系統(tǒng)12由數(shù)據(jù)接口3、控制站4和歷史數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫5。所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS系統(tǒng)、廣義預(yù)測(cè)控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。
參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純控制系統(tǒng)，包括與高純精餾塔1相連的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS系統(tǒng)以及廣義預(yù)測(cè)控制器6，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4和歷史數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成；高純精餾塔對(duì)象1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、廣義預(yù)測(cè)控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。
本實(shí)施例的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純控制系統(tǒng)的核心為廣義預(yù)測(cè)控制器6，此外還包括現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2，DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線。高純精餾塔1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、廣義預(yù)測(cè)控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下達(dá)。廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及時(shí)通過檢測(cè)到的和從歷史數(shù)據(jù)庫5中提取的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量的值，并返回給底層系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)做出及時(shí)反應(yīng)。
本實(shí)施例的精餾塔的廣義預(yù)測(cè)控制器的原理框圖如附圖2所示，所述的高純精餾塔的廣義預(yù)測(cè)控制器包括推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品組分不能被直接測(cè)量的難題，相對(duì)于在線應(yīng)用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測(cè)量滯后且具有相對(duì)較強(qiáng)的可靠性。
1)檢測(cè)儀表模塊7包括溫度檢測(cè)元件，可采用熱電偶式溫度變送器，和壓力檢測(cè)元件，可采用壓阻式變送器。
2)I/O元件模塊9用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸。
3)組分推斷模塊10用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分。其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)。
廣義預(yù)測(cè)控制部分，用于運(yùn)用廣義預(yù)測(cè)控制算法得到實(shí)時(shí)的控制變量的值，包括1)I/O元件用于廣義預(yù)測(cè)控制的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。
2)預(yù)測(cè)模型模塊11，用于將DCS歷史數(shù)據(jù)庫或測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1。
3)模型自校正模塊12，用于采用具有遺忘因子的遞推最小二乘算法，在線校正系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型11參數(shù)。具體步驟如下
(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)](2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)(3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)]]>P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb].]]>(4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ。
4)滾動(dòng)優(yōu)化模塊13，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和廣義預(yù)測(cè)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出。具體運(yùn)算式如下Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T5)人機(jī)界面模塊8，用于控制器參數(shù)的選擇和歷史數(shù)據(jù)及系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的顯示，以及控制器參數(shù)的選取、設(shè)定。
本實(shí)施例的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)連接圖如附圖3所示，系統(tǒng)采用高純精餾塔1頂部產(chǎn)品中輕組分比重XD、底部產(chǎn)品中輕組分比重XB為被控變量，塔頂產(chǎn)品的回流比R/(R+D)和塔底產(chǎn)品的再沸比V/B為相應(yīng)的控制變量。高純精餾塔1塔頂塔底分別連接一個(gè)溫度檢測(cè)元件TT和壓力檢測(cè)元件PT并傳遞到上層系統(tǒng)，廣義預(yù)測(cè)控制器通過現(xiàn)場(chǎng)和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制變量值并傳遞給下層系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)通過流量控制器FC通過改變閥門開度來改變控制變量的值。
所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純控制方法按照如下步驟來實(shí)現(xiàn)1、系統(tǒng)初始化(1)在廣義預(yù)測(cè)控制器6中設(shè)置好高純精餾塔的雙組分設(shè)定值XDset、XBset、并設(shè)置DCS中的采樣周期。
(2)通過DCS歷史數(shù)據(jù)庫或做測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得到系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程初始模型，其算式為(3)A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1，并在預(yù)測(cè)模型模塊11中設(shè)初值na、nb。
(3)置反饋校正模塊12、滾動(dòng)優(yōu)化模塊13中的初值P、M、Q、λ、ρ、α、θ(0)。其中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長度、M為控制時(shí)域長度、Q為誤差加權(quán)矩陣，一般取單位對(duì)角陣、λ為控制加權(quán)矩陣，一般取足夠小的數(shù)、ρ為遺忘因子，一般取0.95～1、α為柔化因子，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb].]]>(4)置滾動(dòng)優(yōu)化模塊13初值R1(z-1)＝1，S1(z-1)＝z[1-A(z-1)]，G1(z-1)＝B(z-1)2、系統(tǒng)的投運(yùn)。
1)每個(gè)DCS采樣時(shí)刻，智能儀表2檢測(cè)高純精餾塔1的溫度、壓力數(shù)據(jù)并傳送到DCS歷史數(shù)據(jù)庫5中；2)每個(gè)控制器采樣時(shí)刻，廣義預(yù)測(cè)控制器6從DCS歷史數(shù)據(jù)庫5中讀取溫度和壓力數(shù)據(jù)，通過組分推斷模塊10計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻被控變量XD，Xn的值，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>
其中P為塔壓，T1～Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)3)通過從組分推斷模塊10得到的XD、XB的值，通過模型自校正模塊12的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)模型參數(shù)，其具體步驟如下(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)](2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)；(3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其計(jì)算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣。
(4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ。
4)計(jì)算Rj(z-1)、Sj(z-1)、Gj(z-1)，具體運(yùn)算式如下Rj+1(z-1)＝Rj(z-1)+rj+1，jz-j，Sj+1(z-1)＝z[Sj(z-1)-rj+1，jA(z-1)]，Gj+1(z-1)＝Gj(z-1)+z-jsj，0B(z-1)式中Rj(z-1)=1+Σi=1j-1rj,iz-i,Sj(z-1)=Σi=0nasj,iz-i,]]>G‾j(z-1)=B(z-1)Rj(z-1)=gj,0+gj,1z-1+···+gj,nb+j-1z-(nb+j-1)]]>rj+1，j＝sj，0＝sj(0)sj+1，0＝sj，1-a1sj，0sj+1，1＝sj，2-a2sj，0Msj+1，i＝sj，i+1-ai+1sj，0(0≤i＜na)Msj+1,na=-a‾na+1sj,0]]>
5)計(jì)算矩陣G、F0、S，G=g0000g1g000Mg00gM-1gM-2Lg0MgP-1gP-2LgP-M,]]>F0=g1,nbg1,nb-1Lg1,2g1,1g2,nb+1g2,nbLg2,3g2,2MMMMgP,nb+P-1gP,nb+P-2LgP,P+1gP,P,S=s1,0Ls1,naMMsP,0LSP,na]]>6)根據(jù)設(shè)定值、當(dāng)前系統(tǒng)的輸出值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式y(tǒng)r(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子，實(shí)際操作中應(yīng)選取合適的值，α的值越大，系統(tǒng)地柔性越好，魯棒性越強(qiáng)，但控制地快速性卻差。
7)求解控制量u(k)，具體算式如下(5)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (5)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T8)將結(jié)果送到各級(jí)系統(tǒng)的顯示模塊上進(jìn)行顯示，方便工程師及時(shí)對(duì)過程動(dòng)態(tài)作出反應(yīng)并給予操作，包括廣義預(yù)測(cè)控制器的人機(jī)界面模塊8、DCS系統(tǒng)操作站4和現(xiàn)場(chǎng)操作站。
實(shí)施例2參照?qǐng)D1、圖2以及圖3，一種用所述的精餾塔的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定精餾塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；
(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1～Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過DCS歷史數(shù)據(jù)庫或做測(cè)試得到的數(shù)據(jù)擬合系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中A(Z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；(4)置初值P、M、Q、λ、na、nb、ρ、α、θ(0)，其中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長度、M為控制時(shí)域長度、Q為誤差加權(quán)矩陣、λ為控制加權(quán)矩陣、ρ為遺忘因子、α為柔化因子，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb]]]>(5)自校正遞推更新系統(tǒng)模型，具體步驟如下(5.1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，...，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，...，Δu(k-nb-1)](5.2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)(5.3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其計(jì)算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣；
(5.4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；(6)求解控制量u(k)，具體算式如下(4)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (4)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中Y(k)＝[y(k) y(k-1) L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1) L Δu(k-1)]T(7)將u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給精餾塔。
控制方法還包括(8)、在所述的(6)中計(jì)算了控制變量u(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的XD、XB的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，在所述(8)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過程狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，包括與精餾塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，其特征在于所述的上位機(jī)為廣義預(yù)測(cè)控制器，所述的廣義預(yù)測(cè)控制器包括組分推斷控制部分和廣義預(yù)測(cè)控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)精餾塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的廣義預(yù)測(cè)控制部分包括I/O元件模塊，用于廣義預(yù)測(cè)控制器的內(nèi)部及控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊，用于將DCS歷史數(shù)據(jù)庫或測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬和得到系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)；A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ(3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；模型自校正模塊，用于采用具有遺忘因子的遞推最小二乘算法，在線校正系統(tǒng)模型參數(shù)，具體步驟如下(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，…，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，…，Δu(k-nb-1)]；(2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)；(3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb];]]>(4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；滾動(dòng)優(yōu)化模塊，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和廣義預(yù)測(cè)控制算法運(yùn)算，求解控制量u(k)，具體算式如下(5)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)] ，u(k)＝u(k-1)+Δu(k)(5)d1T為(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中，Y(k)＝[y(k)y(k-1)Ly(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb)Δu(k-nb+1)LΔu(k-1)]T控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到精餾塔。
2.如權(quán)利要求1所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，其特征在于所述的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
3.如權(quán)利要求2所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)、廣義預(yù)測(cè)控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，其特征在于所述的廣義預(yù)測(cè)控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于將計(jì)算得到的控制變量u(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的XD、XB的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
5.一種用如權(quán)利要求1所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步驟(1)確定精餾塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)XD=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>XB=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，XD、XB為高純精餾塔兩端的產(chǎn)品輕組分，P為塔壓，T1、Tn分別為塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過DCS歷史數(shù)據(jù)庫或做測(cè)試得到的數(shù)據(jù)擬合系統(tǒng)具有隨機(jī)階躍擾動(dòng)非平穩(wěn)噪聲的離散差分方程模型，其算式為(3)A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ(3)其中A(z-1)=1+Σi=1naaiz-i,B(z-1)=Σi=0nbbiz-i,]]>Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；(4)置初值P、M、Q、λ、na、nb、ρ、α、θ(0)，其中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長度、M為控制時(shí)域長度、Q為誤差加權(quán)矩陣、λ為控制加權(quán)矩陣、ρ為遺忘因子、α為柔化因子，θ=[a1,...,ana,b0,...,bnb]]]>(5)自校正遞推更新系統(tǒng)模型，具體步驟如下(5.1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，…，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，…，Δu(k-nb-1)](5.2)讀取y(k)并計(jì)算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)(5.3)運(yùn)用具有遺忘因子的遞歸最小二乘算法得到θ(k)，其計(jì)算式為(4)θ(k)=θ(k-1)+P(k-2)X(k-1)ϵ(k)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)---(4)]]>其中，P(k-1)=1ρ[P(k-2)-P(k-2)X(k-1)X(k-1)TP(k-2)ρ+X(k-1)TP(k-2)X(k-1)],]]>P(-1)為足夠大的正定矩陣；(5.4)從θ(k)中提取原模型參數(shù)A(z-1)，B(z-1)，并計(jì)算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；(6)求解控制量u(k)，具體算式如下(4)Δu(k)＝d1T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)]，u(k)＝u(k-1)+Δu(k)(4)其中Y(k)＝[y(k)y(k-1)L y(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb) Δu(k-nb+1)L Δu(k-1)]T(7)將u(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給精餾塔。
6.如權(quán)利要求5所述的基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制方法，其特征在于所述的控制方法還包括(8)、在所述的(6)中計(jì)算了控制變量u(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的XD、XB的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
全文摘要
一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的精餾塔高純度精餾控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，上位機(jī)為廣義預(yù)測(cè)控制器，所述的廣義預(yù)測(cè)控制器包括組分推斷控制部分和廣義預(yù)測(cè)控制部分，組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊、I/O元件模塊以及組分推斷模塊，廣義預(yù)測(cè)控制部分包括I/O元件模塊、預(yù)測(cè)模型模塊、模型自校正模塊、滾動(dòng)優(yōu)化模塊以及控制輸出模塊。以及提供了一種用該空分塔的廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法。本發(fā)明能夠適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，能夠得到良好的控制效果。
文檔編號(hào)B01D3/42GK101073712SQ20061015548
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者劉興高, 王成裕 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)