專利名稱：空分塔的一般模型控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空分塔的控制系統(tǒng)和方法設計領域，特別地，涉及一種空分塔的一般模型控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
空分裝置就是對空分進行分離，并得到氧、氮、氬等高純工業(yè)氣體的裝置。它是眾多關系國民經濟命脈的產業(yè)的支持性單元操作，如化工、冶金、電子、能源、航空航天、食品飲料等，屬于國家重大設備，其發(fā)展規(guī)模與技術狀況是衡量一個國家的工業(yè)和科技發(fā)展水平的一個重要標志。
空分操作是一個涉及低溫、多設備、長流程、操作復雜、安全生產要求很高的一個復雜過程。生產中，氧、氮、氬產品的純度往往要求高達99％以上，屬于高純精餾控制問題，對空分塔操作的平穩(wěn)性要求很高，而高純精餾過程由于其所表現(xiàn)出來的復雜的動態(tài)特性、強烈的非線性、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其得到較好的控制效果。

發(fā)明內容為了克服已有的空分塔控制方案的不能適應空分操作的動態(tài)特性、強烈的非線性、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)明提供一種能夠適應空分操作的動態(tài)特性、強烈的非線性、和回路之間的耦合性，能夠得到良好的控制效果的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機依次相連，所述的上位機為一般模型控制器，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儀表模塊，包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，用于檢測空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測得到的溫度與壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的一般模型控制部分包括I/O元件模塊，用于一般模型控制器的內部及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的傳輸；二次曲線擬和模塊，用于對數(shù)據(jù)存儲裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進行二次曲線擬和，得到產品氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；一般模型控制運算模塊，用于通過組分推斷部分得到的Y1與Xn值，計算出當前控制變量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧產品的輸出流量L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y1.(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+k2Σ(Y1set-Y1(k))---(3)]]>
ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn.(k)K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xnset-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)(5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；控制輸出模塊，用于將計算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號輸出到空分塔。
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)庫構成，所述的數(shù)據(jù)存儲裝置為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)場智能儀表、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器通過現(xiàn)場總線依次連接作為優(yōu)選的再一種方案所述的一般模型控制器還包括人機界面模塊，用于將計算得到的控制變量R(k)，L(k)的值，以及檢測得到的Y1、Xn的值在控制器的人機界面上顯示。
一種用所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定空分塔的雙組分設定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)在設定值周圍做階躍測試后，從數(shù)據(jù)存儲裝置中得到歷史數(shù)據(jù)，通過二次曲線擬和模塊得到，氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程 Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；(3)每個采樣時刻KT，依據(jù)檢測得到的溫度和壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)
Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(4)控制器從數(shù)據(jù)存儲裝置中讀取Y1和Xn的值作為輸入，運算控制變量R，L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y1·(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+K2Σ(Ylset-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn.(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xnset-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)(5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；(5)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號返回給空分塔。
作為優(yōu)選的一種方案所述的控制方法還包括(6)、在所述的(4)中計算了控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測得到的Y1、Xn的值在控制器的人機界面上顯示。
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)庫構成，在所述(6)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)明的技術構思為采用氮氣產品中氮的組分Y1、液氧產品中氮的組分Xn為被控變量，下塔至上塔的液氧和液空的回流量、液氧產品的流量為相應的控制變量。
推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場產品組分不能被直接測量的難題，相對于在線應用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測量滯后且具有相對較強的可靠性。一般模型控制部分，用于運用一般模型控制算法得到實時的控制變量的值。
一般模型控制系統(tǒng)有效的解決了空分塔在高純下強非線性的問題，實現(xiàn)了對高純精餾過程塔頂塔底雙組分控制的平穩(wěn)操作，并且具有了較快速的無偏差特性，較傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)在動態(tài)性能上有很大的改進，所以有非常大的應用前景。
選擇合適的一般模型控制器參數(shù)K1和K2。附圖4是一般模型控制器參數(shù)K1、K2的選取參照圖，它是系統(tǒng)xx*=2τξs+1τ2s2+2τξs+1]]>類似于經典的二階系統(tǒng)的x/x*關于t/τ的標準階躍響應曲線。
具體選取步驟如下1)根據(jù)所需要的理想動態(tài)特性曲線從附圖4中選出合適的ξ。
2)通過選擇該ξ下的動態(tài)性能指標來計算出τ值。
3)根據(jù)式τ=1k2,]]>ξ=k12k2]]>的反解計算K1，K2。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、能夠適應空分操作的動態(tài)特性、強烈的非線性、和回路之間的耦合性，實現(xiàn)了對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。


圖1是本發(fā)明所提出的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)的硬件連接圖。
圖2是本發(fā)明一般模型控制器的原理框圖。
圖3是本發(fā)明所提出的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)現(xiàn)場連接圖。
圖4是一般模型控制器參數(shù)K1、K2選取參照圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本發(fā)明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)明的精神和權利要求的保護范圍內，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。
實施例1參照圖1～圖4，一種空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，包括與空分塔1直接連接的現(xiàn)場智能儀表2、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機6，智能儀表2、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機6依次相連，所述的上位機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儀表模塊7，包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，用于檢測空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊9，用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊10，用于依據(jù)檢測得到的溫度與壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；
所述的一般模型控制部分11包括I/O元件模塊，用于一般模型控制器的內部及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的傳輸；二次曲線擬和模塊，用于對數(shù)據(jù)存儲裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進行二次曲線擬和，得到產品氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；一般模型控制運算模塊，用于通過組分推斷部分得到的Y1與Xn值，計算出當前控制變量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧產品的輸出流量L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1(1-T×K1)×Y·1(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+K2Σ(Ylset-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn.(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xnset-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)(5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；控制輸出模塊，用于將計算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號輸出到空分塔。
所述的一般模型控制系統(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構成，所述的數(shù)據(jù)存儲裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫5。所述的現(xiàn)場智能儀表2、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器6通過現(xiàn)場總線依次連接。
參照圖1，本實施例的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，包括與現(xiàn)場空分塔1相連的現(xiàn)場智能儀表2、DCS系統(tǒng)以及一般模型控制器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構成；現(xiàn)場空分塔對象1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器6通過現(xiàn)場總線依次連接。
本實施例的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)硬件結構圖如附圖1所示，所述的一般模型控制系統(tǒng)的核心為一般模型控制器6，此外還包括現(xiàn)場智能儀表2，DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場空分塔1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器6通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息的上傳下達。一般模型控制系統(tǒng)及時通過檢測到的和從歷史數(shù)據(jù)庫5中提取的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到當前時刻的控制變量的值，并返回給底層系統(tǒng)，及時對系統(tǒng)動態(tài)做出反應。
本實施例的空分塔的一般模型控制器的原理框圖如附圖2所示，所述的空分塔的一般模型控制器包括推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場產品組分不能被直接測量的難題，相對于在線應用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測量滯后且具有相對較強的可靠性。
1)檢測儀表模塊7包括溫度檢測元件，可采用熱電偶式溫度變送器，和壓力檢測元件，可采用壓阻式變送器。
2)I/O元件模塊9用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內部以及控制器與DCS之間的傳輸。
3)組分推斷模塊10用于依據(jù)檢測得到的溫度與壓強數(shù)據(jù)推斷組分。其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；
一般模型控制部分11，用于運用一般模型控制算法得到實時的控制變量的值。
1)I/O元件用于一般模型控制的內部及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的傳輸。
2)二次曲線擬和模塊，用于對測試或DCS歷史數(shù)據(jù)庫中得到的數(shù)據(jù)進行二次曲線擬和，從而得到產品氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)23)一般模型控制運算模塊，用于通過組分推斷部分得到的Y1與Xn值，計算出當前控制變量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧產品的輸出流量L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y·1(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+K2Σ(Ylset-Y1(K))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn.(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xnset-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)(5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值。
所述的空分塔的一般模型控制器還包括人機界面模塊8，用于歷史數(shù)據(jù)及系統(tǒng)當前狀態(tài)的顯示，以及控制系統(tǒng)參數(shù)選擇等的操作。
本實施例的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)現(xiàn)場連接圖如附圖3所示，系統(tǒng)采用上塔14頂部氮氣產品中氮的組分Y1、上塔1底部液氧產品中氮的組分Xn為被控變量，下塔15至上塔14的液氧和液空的回流量、液氧產品的流量為相應的控制變量。上塔14塔頂塔底分別連接一個溫度檢測元件TT和壓力檢測元件PT并傳遞到上層系統(tǒng)，一般模型控制器通過現(xiàn)場和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)計算當前時刻的控制變量值并傳遞給下層系統(tǒng)，現(xiàn)場通過流量控制器FC通過改變閥門開度來改變控制變量的值。
所述的空分塔的一般模型控制方法按照如下步驟來實現(xiàn)1、系統(tǒng)初始化(1)在一般模型控制器6中設置好空分塔的雙組分設定值Y1set、Xnset、采樣周期T、并設置DCS中的采樣周期。
(2)在設定值周圍做開環(huán)階躍測試后從DCS歷史數(shù)據(jù)庫5中得到歷史數(shù)據(jù)(或直接從歷史數(shù)據(jù)庫5中得到)，通過二次曲線擬和模塊得到，氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2。
(3)選擇合適的一般模型控制器6參數(shù)K1和K2。
附圖4是一般模型控制器參數(shù)K1、K2的選取參照圖，它是系統(tǒng)xx*=2τξs+1τ2s2+2τξs+1]]>類似于經典的二階系統(tǒng)的x/x*關于t/τ的標準階躍響應曲線。
具體選取步驟如下1)根據(jù)所需要的理想動態(tài)特性曲線從附圖4中選出合適的ξ。
2)通過選擇該ξ下的動態(tài)性能指標來計算出τ值。
3)根據(jù)式τ=1k2,]]>ξ=k12k2]]>的反解計算K1，K2。
2、系統(tǒng)的投運。
(1)每個DCS采樣時刻，智能儀表2檢測現(xiàn)場空分塔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)每個控制器采樣時刻，一般模型控制器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計算出當前時刻被控變量Y1，Xn的值，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(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Y1、Xn的值，通過一般模型控制模塊11的運算得到當前時刻的控制變量R、L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y1.(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+K2Σ(Ylset-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn.(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xmset-Xn(k))(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)(5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；(4)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號返回給DCS系統(tǒng)，并作用于空分塔。
(5)將結果送到各級系統(tǒng)的顯示模塊上進行顯示，方便工程師及時對過程動態(tài)作出反應并給予操作，包括一般模型控制器的人機界面模塊8、DCS系統(tǒng)操作站4和現(xiàn)場操作站。
實施例2參照圖1～圖4，一種用所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定空分塔的雙組分設定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)在設定值周圍做階躍測試后，從數(shù)據(jù)存儲裝置中得到歷史數(shù)據(jù)，通過二次曲線擬和模塊得到，氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；(3)每個采樣時刻KT，依據(jù)檢測得到的溫度和壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+C)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔、塔頂塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(4)控制器從數(shù)據(jù)存儲裝置中讀取Y1和Xn的值作為輸入，運算控制變量R，L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y·1(k)+K2×T×(Ylset-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Ylset-Y1(k))+K2Σ(Ylset-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×X·n(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xmset-Xn(k))+K2Σ(Xmset-Xn(k))(4)]]>
R(k)＝R(k-1)+ΔR(k) (5)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；(5)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號返回給空分塔。
所述的控制方法還包括(6)、在所述的(4)中計算了控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測得到的Y1、Xn的值在控制器的人機界面上顯示。所述的數(shù)據(jù)存儲裝置為DCS系統(tǒng)12的歷史數(shù)據(jù)庫，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構成，在所述(6)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)。
權利要求
1.一種空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機依次相連，其特征在于所述的上位機為一般模型控制器，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儀表模塊，包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，用于檢測空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測得到的溫度與壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂和塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的一般模型控制部分包括I/O元件模塊，用于一般模型控制器的內部及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的傳輸；二次曲線擬和模塊，用于對數(shù)據(jù)存儲裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進行二次曲線擬和，得到產品氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；一般模型控制運算模塊，用于通過組分推斷部分得到的Y1與Xn值，計算出當前控制變量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧產品的輸出流量L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y1•(k)+K2×T×(Y1set-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Y1set-Y1(k))+K2Σ(Y1set-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn•(k)+K2×T×(Xnset-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnest-Xn(k))+K2Σ(Xnest-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k) (5)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；控制輸出模塊，用于將計算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號輸出到空分塔。
2.如權利要求1所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，其特征在于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)庫構成，所述的數(shù)據(jù)存儲裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
3.如權利要求2所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn)場智能儀表、DCS系統(tǒng)、一般模型控制器通過現(xiàn)場總線依次連接。
4.如權利要求1～3之一所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，其特征在于所述的一般模型控制器還包括人機界面模塊，用于將計算得到的控制變量R(k)，L(k)的值，以及檢測得到的Y1、Xn的值在控制器的人機界面上顯示。
5.一種用如權利要求1所述的空分塔的一般模型控制系統(tǒng)實現(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)確定空分塔的雙組分設定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)在設定值周圍做階躍測試后，從數(shù)據(jù)存儲裝置中得到歷史數(shù)據(jù)，通過二次曲線擬和模塊得到，氮氣中的氮組分Y1關于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產品液氧中的氮組分Xn關于液氧產品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2；(3)每個采樣時刻KT，依據(jù)檢測得到的溫度和壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮氣產品中氮的組分，Xn為液氧產品中氮的組分，P為上塔壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(4)控制器從數(shù)據(jù)存儲裝置中讀取Y1和Xn的值作為輸入，運算控制變量R，L的值，其算式為(3)、(4)、(5)ΔR(k)=12a1×(1-T×K1)×Y1•(k)+K2×T×(Y1set-Y1(k))Y1(k)+T(K1(Y1set-Y1(k))+K2Σ(Y1set-Y1(k))---(3)]]>ΔL(k)=12a2×(1-T×K1)×Xn•(k)+K2×T×(Xnest-Xn(k))Xn(k)+T(K1(Xnset-Xn(k))+K2Σ(Xnest-Xn(k))---(4)]]>R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)L(k)＝L(k-1)+ΔL(k) (5)其中，T為采樣周期，K1、K2為控制器可調參數(shù)，Y1set、Xnset分別為Y1與Xn的設定值；(5)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號返回給空分塔。
6.如權利要求5所述的空分塔的一般模型控制方法，其特征在于所述的控制方法還包括(6)、在所述的(4)中計算了控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測得到的Y1、Xn的值在控制器的人機界面上顯示。
7.如權利要求5或6所述的空分塔的一般模型控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)存儲裝置為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)庫構成，在所述(6)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)。
全文摘要
一種空分塔的一般模型控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲裝置及上位機依次相連，所述的上位機為一般模型控制器，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儀表模塊、I/O元件模塊以及組分推斷模塊，一般模型控制部分包括I/O元件模塊、二次曲線擬和模塊、一般模型控制運算模塊以及控制輸出模塊。以及提供了一種用該空分塔的一般模型控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制方法。本發(fā)明能夠適應空分操作的動態(tài)特性、強烈的非線性、和回路之間的耦合性，能夠得到良好的控制效果。
文檔編號B01D3/42GK101017050SQ20061015548
公開日2007年8月15日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者劉興高 申請人:浙江大學