專利名稱：一種高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
精餾過程是石油化工生產(chǎn)過程中一個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，人們對精餾過程的高效性和精密性要求越來越高，高純精餾越來越得到國內(nèi)外的關(guān)注，并越來越重要。
據(jù)農(nóng)藥專業(yè)雜志《AGROW》提供的數(shù)據(jù)，先正達(dá)2001年銷售額為53.85億美元，安萬特為38.42億美元，孟山都37.55億美元，巴斯夫31.05億美元，道農(nóng)業(yè)科學(xué)26.12億美元，拜耳24.18億美元，杜邦19.17億美元，他們都是被稱為“農(nóng)藥90％俱樂部”的成員，而國內(nèi)全部農(nóng)藥企業(yè)2001年銷售總額僅為260.4億人民幣，僅相當(dāng)于一個中型跨國公司的年度銷售額。差距在哪里呢？一方面是由于國內(nèi)農(nóng)藥的自主創(chuàng)新能力還不夠，另外一方面則是由于生產(chǎn)高純度農(nóng)藥能力的欠缺。舉個例子，同樣的一種農(nóng)藥，國外的精度能達(dá)到99.9％，而國內(nèi)卻只能達(dá)到99％，雖然就差了0.9個百分比，但是單位價格卻可能會相差十倍，甚至百倍。有些外企的做法是拿國內(nèi)企業(yè)的農(nóng)藥用做它們的原料，其中的利潤可顯而之，這也勢必導(dǎo)致銷售額的差距。
高純精餾過程控制的難題主要在于其復(fù)雜的動態(tài)特性、強(qiáng)非線性、和回路之間的強(qiáng)耦合性，傳統(tǒng)的PID等線性控制方案很難對其得到較好的控制效果。國內(nèi)外工藝、自控專家對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)硬件的限制和高純精餾過程非線性隨純度每0.1％甚至每0.01％純度的提高而顯著增強(qiáng)以及系統(tǒng)強(qiáng)耦合等特有的復(fù)雜動態(tài)特性，導(dǎo)致諸多先進(jìn)控制方案很難在高純精餾過程中有效實施，成為精餾生產(chǎn)產(chǎn)品高純控制中的一個瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新型高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)，有效實現(xiàn)了對高純精餾過程的平穩(wěn)操作和兩端組分的高純度控制。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案 一種高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)，它包括精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)和現(xiàn)場總線；所述精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)。
進(jìn)一步地，所述上位機(jī)包括推斷控制器、一般模型控制器和人機(jī)界面。
本發(fā)明涉及的控制系統(tǒng)以精餾過程塔頂產(chǎn)品輕組分純度XD和塔底產(chǎn)品輕組分純度Xn為被控變量，以回流比和再沸比為控制變量。
現(xiàn)在隨著分析儀表的發(fā)展，特別是工業(yè)色譜儀的在線應(yīng)用，已逐漸出現(xiàn)直接按產(chǎn)品純度來控制的方案。然而，這種方案目前仍受到兩方面的制約，一是測量過程滯后很大，反應(yīng)緩慢，二是分析儀表的可靠性較差，難以保障控制過程的長周期運(yùn)行。所以，本發(fā)明引入了基于機(jī)理推導(dǎo)的組分推斷控制，通過對精餾塔頂?shù)诇囟?、壓?qiáng)的實時檢測，通過機(jī)理函數(shù)關(guān)系式，來精確推斷產(chǎn)品組分，進(jìn)行高精度長周期實時控制，可有效克服產(chǎn)品組成直接控制的諸多弊端。
所述的產(chǎn)品組分的推斷控制的推斷算法的推導(dǎo)如下，以塔頂溫度和塔頂產(chǎn)品輕組分分率的關(guān)系為例 根據(jù)拉烏爾定律和道爾頓分壓定律
其中P1為塔頂氣相總壓，y1為塔頂輕組分的氣相分率，x1為塔頂輕組分的液相分率。Pb1°為塔頂輕組分的飽和蒸汽壓。
根據(jù)安托因(Antoine)方程 T1＝[b/(a-1gPb1°)]-c(2) 其中，a，b，c稱為安托因常數(shù)。T1的單位為℃，Pb1°的單位為毫米汞柱。
y1和x1之間的函數(shù)關(guān)系式根據(jù)相平衡關(guān)系得到 其中，α為相對揮發(fā)度。
方程式1，2，3聯(lián)合推出如下的y1關(guān)于T1、P1關(guān)系式 從而，得到塔頂產(chǎn)品純度與溫度壓強(qiáng)間的組成推斷控制函數(shù)關(guān)系式 冷凝器若為全凝器， 冷凝器若為分凝器， 其中，KD為塔頂分凝器的氣液平衡常數(shù)。
同理，得到塔底產(chǎn)品組成與塔底溫度、壓強(qiáng)的組分推斷控制方程 本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)控制器采用基于非線性模型的一般模型控制算法，將輸出值與輸出設(shè)定值之間的偏差，作為一般模型控制器的輸入量，經(jīng)一般模型控制律處理后，得到回流比和再沸比這兩個控制變量的新數(shù)值，作為控制器的輸出，傳遞給DCS系統(tǒng)。
本發(fā)明采用的一般模型控制器的具體形式如下，以塔頂為例，為了方便表示，將塔頂產(chǎn)品組分XD標(biāo)記為y，回流比

標(biāo)記為u，希望y滿足如下標(biāo)稱軌跡 其中，K1、K2為兩個參數(shù)矩陣，用來決定響應(yīng)曲線y的形狀，y*為標(biāo)稱軌跡，

為y的導(dǎo)數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型的存在時，

就可以用以下等式近似表示 其中，T是開環(huán)時間常數(shù)的估計值，而yu則是系統(tǒng)最終的輸出值。將(8) 代入(7)，得到 yu＝y(tǒng)+T(K1(y*-y)+K2∫(y*-y)dt) (9) 若穩(wěn)態(tài)模型存在，設(shè) yu＝F(u)(10) 從而，根據(jù)(9)及(10)，求出控制變量u。
本發(fā)明具有以下技術(shù)效果，通過運(yùn)用一般模型控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高純精餾過程塔頂塔底雙端組分的高純度控制，具有響應(yīng)快、無偏差的控制品質(zhì)，較傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)在動態(tài)性能上有很大的改進(jìn)，應(yīng)用效果好，而且所述的控制方法基于DCS和計算機(jī)上位機(jī)平臺，因此易于實施。

圖1為高純精餾過程PID圖； 圖2為本發(fā)明高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)的連接示意圖； 圖3為本發(fā)明高純精餾的一般模型控制方法參數(shù)選擇參照圖； 圖中，1-塔體，2-回流罐，3-再沸器，4-乘法器單元，5-加法器單元，6-現(xiàn)場智能儀表，7-數(shù)據(jù)接口，8-控制站，9-實時數(shù)據(jù)庫，10-上位機(jī)；D-塔頂產(chǎn)品流量，R-回流量，B-塔底產(chǎn)品流量，V-再沸量，F(xiàn)-進(jìn)料量，TT-溫度檢測環(huán)節(jié)，TC-溫度控制環(huán)節(jié)，F(xiàn)T-流量檢測環(huán)節(jié)，F(xiàn)C-流量控制環(huán)節(jié)，LT-液位檢測環(huán)節(jié)，LC-液位控制環(huán)節(jié)。
具體實施方案 下面結(jié)合圖1、圖2和圖3來詳細(xì)說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。
本發(fā)明的高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)包括精餾塔(控制對象)、智能檢測儀表(傳感變送)、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)和現(xiàn)場總線；精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)。所述上位機(jī)包含推斷控制器、一般模型控制器和人機(jī)界面。
所述的系統(tǒng)連接方式上與傳統(tǒng)的工業(yè)流程的區(qū)別在于塔頂和塔底的檢測儀表連接到了DCS系統(tǒng)，將檢測到的信號上傳到實時數(shù)據(jù)庫，而上位機(jī)和DCS系統(tǒng)連接并從中獲得歷史數(shù)據(jù)，上位機(jī)出來的信號下達(dá)到DCS系統(tǒng)，并通過DCS下達(dá)給精餾過程的乘法器4，進(jìn)行控制作用。
本發(fā)明高純精餾的一般模型控制方法按照如下步驟進(jìn)行實施 1、建立從溫度、壓強(qiáng)到產(chǎn)品組分濃度的推斷控制模塊 這部分工作，由上位機(jī)10上的推斷控制器來完成。通過如下組成推斷控制方程，根據(jù)來自DCS實時數(shù)據(jù)庫9的溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地推斷出產(chǎn)品組分的純度值 對塔頂產(chǎn)品純度冷凝器若為全凝器， 冷凝器若為分凝器， 對塔底產(chǎn)品純度 以上基于機(jī)理模型推導(dǎo)得到的組分推斷控制方法，與常規(guī)的基于數(shù)據(jù)回歸分析得到的組分推斷控制方法相比，具有推斷預(yù)測準(zhǔn)確、外推能力強(qiáng)、不受進(jìn)料組成擾動的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)。
2、一般模型控制算法的設(shè)計和參數(shù)選擇 這項工作在上位機(jī)10上的一般模型控制器上完成，通過以下步驟來實施 1)根據(jù)式(9)yu＝y(tǒng)+T(K1(y*-y)+K2∫(y*-y)dt)，先得到穩(wěn)態(tài)模型從而使yu已知。
通過階躍測試或直接從實時數(shù)據(jù)庫中得到數(shù)據(jù)，采用最小二乘辨識方法進(jìn)行二次曲線擬和，得到以下形式的二次曲線數(shù)學(xué)模型 XD(k)ss＝a1×RR(k)2 (11) Xn(k)ss＝a2×BR(k)2 式中， XD(k)ss， Xn(k)ss相當(dāng)于yu值。
2)式子(11)代入(9)式，得到控制器算法方程 對上式作微分， 其中 對于離散控制系統(tǒng)，必然滿足 BR(k)＝BR(k-1)+□BR(k-1)(18) RR(k)＝RR(k-1)+□RR(k-1)(19) 從而，根據(jù)被控變量前一時刻的值，根據(jù)式14-19，得到當(dāng)前時刻控制變量的輸出值，作為系統(tǒng)的控制器算法。該非線性控制算法，能夠有效克服高純精餾過程因純度變化所導(dǎo)致的強(qiáng)非線性問題。
3)設(shè)置控制器參數(shù)過程的時間常數(shù)T，控制器參數(shù)K1、K2 通過以下步驟來實施 a)設(shè)定時間常數(shù)T通過階躍響應(yīng)法獲??； b)選取K1、K2 將式(7)，進(jìn)行拉普拉斯變換，得到 其中 根據(jù)式(20-21)，先得到系統(tǒng)x/x*關(guān)于t/τ的標(biāo)準(zhǔn)階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)此曲線響應(yīng)圖，參照圖三選擇出合適的τ和ξ值，最后求解式21得到控制器的參數(shù)K1和K2。其中，選擇K1，K2，具體步驟如下 i)根據(jù)所需要的曲線形狀從圖三中選出合適的ξ； ii)通過選擇該ξ下的動態(tài)性能指標(biāo)來計算出τ值； iii)根據(jù)式(15)中計算K1，K2。
c)根據(jù)生產(chǎn)情況和要求，進(jìn)行采樣時間、設(shè)定值的設(shè)置。
3、系統(tǒng)開始投運(yùn) 1)用定時器，設(shè)置好每次控制作用的時間間隔； 2)現(xiàn)場智能儀表6檢測精餾塔的頂?shù)诇囟?、壓?qiáng)等數(shù)據(jù)并傳送到DCS的實時數(shù)據(jù)庫9中； 3)上位機(jī)10，在每個定時周期，從DCS的實時數(shù)據(jù)庫9中，得到前一時刻的塔頂塔底的溫度和壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)，并作為上位機(jī)10中推斷控制器模塊的輸入； 4)上位機(jī)10中的推斷控制器，經(jīng)過推斷控制，得到前一時刻的塔頂塔底組分的推斷預(yù)測值，并作為上位機(jī)10中一般模型控制器模塊的輸入； 5)上位機(jī)10中一般模型控制器，經(jīng)過運(yùn)算得到的當(dāng)前時刻的控制變量回流比和再沸比，并下達(dá)給DCS系統(tǒng)； 6)DCS系統(tǒng)，通過現(xiàn)場的調(diào)節(jié)裝置，對現(xiàn)場的高純精餾過程實施控制作用，確保雙端產(chǎn)品組成的高純度質(zhì)量品質(zhì)。
與傳統(tǒng)的精餾控制系統(tǒng)和方法相比，本發(fā)明技術(shù)，明顯提高了精餾過程雙端產(chǎn)品高純度下的平穩(wěn)控制能力，提高高純精餾過程的動態(tài)品質(zhì)；同時，系統(tǒng)還具有較強(qiáng)魯棒性、參數(shù)易于檢測和易于實施等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)和方法，已通過較佳實施例進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的裝置和操作方法進(jìn)行改動或適當(dāng)變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，它們都會被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求1.一種高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)，其特征在于，它包括精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)和現(xiàn)場總線；所述精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)；其中，所述上位機(jī)由主機(jī)和人機(jī)界面組成，所述主機(jī)上安裝推斷控制器和一般模型控制器。
專利摘要本實用新型公開了一種高純精餾的一般模型控制系統(tǒng)，包括精餾塔、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)和現(xiàn)場總線；上位機(jī)從DCS實時數(shù)據(jù)庫中獲得歷史的溫度數(shù)據(jù)，通過推斷控制環(huán)節(jié)和一般模型控制器環(huán)節(jié)，得到當(dāng)前控制器的輸出值回流比和再沸比，再把這兩個值返回給DCS系統(tǒng)，從而作用于實際精餾塔對象，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)PID等控制系統(tǒng)，不僅確保了兩端組分的高純度平穩(wěn)操作，并且具有很好的動態(tài)控制效果。
文檔編號B01D3/42GK201006332SQ200620109078
公開日2008年1月16日 申請日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者劉興高, 王成裕 申請人:浙江大學(xué)