專利名稱：一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法。

背景技術(shù)：
為了滿足市場對聚丙烯產(chǎn)品的多樣性需求和更高的質(zhì)量要求，以及為追求更高的企業(yè)經(jīng)濟效益，聚丙烯裝置需要頻繁地進行牌號切換生產(chǎn)。同時隨著聚丙烯工業(yè)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，牌號的切換頻率越來越高，而每次切換總伴隨著大量的過渡時間和不合格料即廢料的產(chǎn)生，最終影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)濟效益和節(jié)能降耗指標。大型聚丙烯裝置牌號切換過程是復(fù)雜的多變量、強耦合、多約束的“本質(zhì)”非線性過程，其實質(zhì)是一種產(chǎn)品質(zhì)量(牌號)轉(zhuǎn)化為另一種產(chǎn)品質(zhì)量，反映在聚合工藝條件上，就是在保證聚合裝置安全生產(chǎn)的前提下由一種聚合工藝條件切換到另一種期望的聚合工藝條件，同時要求切換過程具有良好的平穩(wěn)性、快速性和經(jīng)濟性等綜合性指標。因此，牌號切換操作已成為當今聚丙烯工業(yè)先進生產(chǎn)技術(shù)的一個關(guān)鍵研究任務(wù)。以往的工業(yè)生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中采用的牌號切換操作的方法主要有根據(jù)典型牌號切換的經(jīng)驗法、計算機模擬仿真方法、基于優(yōu)化技術(shù)的最優(yōu)切換方法、基于先進控制策略的控制方法等。在這些牌號切換方法中，根據(jù)典型牌號切換的經(jīng)驗法只針對特定的幾個牌號切換操作，不利于新牌號、多牌號間的切換操作；計算機模擬仿真方法和基于優(yōu)化技術(shù)的最優(yōu)切換方法雖然在理論上可實現(xiàn)最優(yōu)牌號切換，但都屬于離線切換操作，無法根據(jù)聚丙烯裝置的生產(chǎn)實際實現(xiàn)牌號自動切換；基于先進控制策略的切換控制方法，經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，主要包括McAuley，1993；Gobin，1994；Meziou，1996；Ozkan，1998；Ali，1998；Seki，2001；Bindlish & Rawlings，2003；BenAmor，2004；Feather & Lieberman，2004；Ali，2007，通常結(jié)合聚合反應(yīng)機理模型，控制器設(shè)計復(fù)雜且所用到的相關(guān)專業(yè)理論知識較多，往往導(dǎo)致控制器在線投運困難，且不便于被工程技術(shù)人員掌握和推廣使用。因此，近十幾年，過程控制領(lǐng)域內(nèi)的許多學(xué)者和工程專家對于這個具有挑戰(zhàn)性的重要控制難題進行了大量深入地研究和探討，以滿足當前聚丙烯生產(chǎn)實踐對于有效、簡便地調(diào)節(jié)和控制牌號切換過程的迫切要求。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的聚丙烯裝置牌號切換控制方法的設(shè)計復(fù)雜、在線投運困難、實用性差的不足，本發(fā)明提供一種設(shè)計簡單、容易理解、實現(xiàn)在線投運、實用性強的聚丙烯裝置牌號切換控制方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法，所述控制方法包括如下步驟1)、建立聚丙烯牌號切換過程離散時間狀態(tài)空間模型，參見式(1a)和式(1b) (1a) (1b) 其中，式(1a)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，Etc，1，Etc，2]′、u＝[u1，u2]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，2)，Etc，2]′分別為切換到均聚物或無規(guī)共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；式(1b)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，ln(MIc，3)，Etc，3]′、u＝[u1，u2，u3]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm；T3，C3hm，C3mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，3)，Etc，3]′分別為切換到共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；Ts為系統(tǒng)離散時間；MIc，k和MIi，k、Etc，k和Eti，k分別是第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的累積熔融指數(shù)和瞬時熔融指數(shù)、累積乙烯含量和瞬時乙烯含量；Tk、Ckhm、Ckmm、τk分別為第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、氫氣丙烯濃度比、乙烯丙烯濃度比、反應(yīng)停留時間；θk(k＝1，2，3)為狀態(tài)空間模型辨識參數(shù)； 將模型(1a)和(1b)統(tǒng)一描述為式(2) 2)、計算式(2)的穩(wěn)態(tài)值，參見式(3) 其中xs、vs和us分別表示系統(tǒng)狀態(tài)、中間變量和輸入變量的穩(wěn)態(tài)值； 3)、根據(jù)式(3)標定系統(tǒng)的狀態(tài)、中間變量和輸入變量，參見式(4a) Sx＝diag{sx(i)，i＝1，2，3，4}；Sv＝diag{sv(i)，i＝1，2，3，4}； Su1＝diag{su1(i)，i＝1，2，3}；Su2＝diag{su2(i)，i＝1，2，3}； (4a) Su3＝diag{su3(i)，i＝1，2，3} 其中標定系數(shù)為(4b) sx(i)＝(xs，m(i))-2，sv(i)＝(vs，m(i))-2，i＝1，2，3，4； 其中，“·s，o(i)”表示當前生產(chǎn)牌號對應(yīng)的第i個狀態(tài)、中間變量或輸入分量的穩(wěn)態(tài)值；“·s，m(i)”表示目標牌號對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值； 4)、根據(jù)系統(tǒng)一次性能指標，參見式(5) 建立式(2)中線性子系統(tǒng)最優(yōu)控制器，參見式(6) v(t)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(t)-xs)+vs (6) 其中矩陣P是矩陣方程，參見式(7) A′PA-P+A′PB(RSv+B′PB)-1B′PA+QSx＝0 (7) 的對稱正定解矩陣；其中Q≥0和R>0分別為狀態(tài)和中間變量的加權(quán)矩陣； 5)、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的期望極點，運用極點配置法設(shè)計狀態(tài)觀測器，參見式(8) 其中L為觀測器增益矩陣； 6)、系統(tǒng)二次性能指標，參照式(9) (9) 建立基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制器，參見式(10) s.t.x(i+1)＝Ax(i)+Bg(u(i)，i)， v(i)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(i)-xs)+vs(10) x(i)∈Γx，v(i)∈Γv，u(i)∈Γu i＝t，…，t+Tp 其中，集合Γx、Γv和Γu表示切換過程的狀態(tài)、中間變量和輸入等約束條件；

(t)表示當前t時刻的狀態(tài)觀測值；Wj>0(j＝1，2，3)為輸入變量的加權(quán)矩陣； 在線計算有限步長動態(tài)優(yōu)化控制問題，即式(10)，并根據(jù)滾動優(yōu)化原理，得到基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制量，參照式(11) 控制器在每個采樣時刻通過狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)狀態(tài)，并以該觀測狀態(tài)更新優(yōu)化控制問題的初始條件，然后滾動優(yōu)化計算當前時刻的預(yù)測控制量，周而復(fù)始，直到牌號切換過程過渡到目標牌號并穩(wěn)定生產(chǎn)為止。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為以目前廣泛采用的Spheripol丙烯聚合裝置為對象(生產(chǎn)工藝流程如圖1所示)，結(jié)合狀態(tài)觀測器技術(shù)和約束Hammerstein模型非線性預(yù)測控制技術(shù)，通過控制聚丙烯熔融指數(shù)和乙烯含量這兩個關(guān)鍵質(zhì)量指標的切換，實現(xiàn)聚丙烯裝置牌號切換操作。本發(fā)明設(shè)計方法的優(yōu)點是容易理解、使用方便，同時可以在線預(yù)報切換過程各種狀態(tài)信息。本發(fā)明設(shè)計的控制器可以根據(jù)牌號切換的要求，經(jīng)濟有效地實現(xiàn)牌號切換(特別是非同類牌號切換)過程的自動控制。本發(fā)明與Seki，2001；Bindlish & Rawlings，2003中模型預(yù)測控制切換方法的區(qū)別在于，這些模型預(yù)測控制切換方法是基于聚合動力學(xué)非線性機理模型逐點線性化的設(shè)計方法。
附圖2所示幾個部分牌號切換過程、期望性能指標、狀態(tài)觀測器、回路控制器、預(yù)測器、切換控制器是組成本發(fā)明采用的技術(shù)方案的重要模塊。其中牌號切換過程是由聚丙烯生產(chǎn)裝置辨識得到的，同時根據(jù)現(xiàn)場切換操作的要求得到切換控制準確性、快速性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等多項控制期望性能指標。這些辨識對象自身的參數(shù)和性能的要求被綜合考慮在切換控制器設(shè)計環(huán)節(jié)中。
本發(fā)明在現(xiàn)有工業(yè)控制計算機上可以直接運行實施，具體見附圖3。本方法應(yīng)用過程可以大致分為四個階段 1、生產(chǎn)牌號管理，即在組態(tài)界面中確認當前生產(chǎn)牌號和目標生產(chǎn)牌號的操作條件和熔融指數(shù)與乙烯含量等關(guān)鍵質(zhì)量指標。界面圖的上框是當前生產(chǎn)牌號的操作條件和物性指標，用紅色標出；界面圖的下框是目標牌號的操作條件和物性指標，可以通過點擊“上一個”和“下一個”翻動查詢所要切換的目標牌號。確認要切換的目標牌號后，點擊“切換到目標牌號”開始牌號切換的操作，即從當前生產(chǎn)的牌號配置(用紅色標注)切換到目標牌號的配置，同時由工控機將數(shù)據(jù)送入動態(tài)數(shù)據(jù)庫中保存。
2、牌號切換模型和約束條件的生成。在組態(tài)界面中，系統(tǒng)根據(jù)當前牌號和目標牌號自動生成切換過程數(shù)學(xué)模型和約束條件，也可以手工修改輸入。其中切換過程數(shù)學(xué)模型為如下多變量Hammerstein非線性模型 其中，上一式為切換至均聚或無規(guī)共聚牌號切換數(shù)學(xué)模型，下一式為切換至抗沖共聚牌號切換數(shù)學(xué)模型；MIc，k和MIi，k、Etc，k和Eti，k分別是第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的累積熔融指數(shù)和瞬時熔融指數(shù)、累積乙烯含量和瞬時乙烯含量；Tk、Ckhm、Ckmm、τk分別為第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、氫氣丙烯濃度比、乙烯丙烯濃度比、反應(yīng)停留時間；θk＝{θkj，(k＝1，2，3；j＝1，...，9)}為系統(tǒng)模型辨識參數(shù)?？梢哉{(diào)用動態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行辨識，辨識方法有很多種，如子空間辨識法、非線性最小二乘法等，可以參考相關(guān)技術(shù)文獻，在這里不再詳述并假設(shè)此辨識過程已經(jīng)完成。以Ts為離散時間建立牌號切換過程離散時間狀態(tài)空間模型，參照式(1a)和(1b)。
3、在組態(tài)界面上點擊“控制器組態(tài)”按鈕，啟動工控機的CPU調(diào)用事先編制好的“切換控制程序”軟件包設(shè)計出滾動優(yōu)化切換控制器。此算法正是在新提出的約束Hammerstein系統(tǒng)模型預(yù)測控制的基礎(chǔ)上創(chuàng)新得到。
點擊組態(tài)界面中的“控制器仿真”按鈕，進入模型預(yù)測控制器離線仿真調(diào)試階段。調(diào)整組態(tài)界面中的一次性能指標、二次性能指標加權(quán)矩陣和預(yù)測步長等可調(diào)參數(shù)，并觀察閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)曲線，由此確定動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和經(jīng)濟性能等綜合性能指標良好的控制器設(shè)計參數(shù)。調(diào)整矩陣Q、R和Wj的整定規(guī)則調(diào)小參數(shù)qi、ri和wi，j可以加快對應(yīng)狀態(tài)的響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，但相應(yīng)所需的第i個控制器的輸出能量要增大，并且它所對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)所需要提供的輸出能量也要增大，會傾向于超出其容量范圍，同時在面臨被控過程的未建模動態(tài)特性時，易于表現(xiàn)出過激行為，不利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；相反，增大參數(shù)qi、ri和wi，j將減緩對應(yīng)狀態(tài)的響應(yīng)速度，但所需的第i個控制器的輸出能量減小，并且它所對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)所需要提供的輸出能量也會減小，從而會有利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)參數(shù)Tp的整定規(guī)則調(diào)小參數(shù)Tp可以減小優(yōu)化控制問題(10)的在線計算量，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但將惡化系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性能；相反，增大參數(shù)Tp可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性能，但增大優(yōu)化控制問題(10)的在線計算量，影響控制的實時性。因此實際整定調(diào)節(jié)參數(shù)時，應(yīng)在控制系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和經(jīng)濟性能等綜合性能指標之間權(quán)衡。
4、點擊組態(tài)界面中的“牌號切換運行”按鈕，啟動工控機的CPU讀取最佳控制器參數(shù)，并執(zhí)行“牌號切換自動控制程序”得到當前時刻最優(yōu)的控制量即聚合反應(yīng)條件，然后將該最優(yōu)聚合反應(yīng)條件傳送至回路控制器并更新其設(shè)定值?；芈房刂破鲹?jù)此調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)裝置，使聚合過程運行在設(shè)定的范圍內(nèi)。此時組態(tài)界面上顯示的是在線情況下的聚合系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線。在下一個采樣時刻到來時，通過觀測聚合系統(tǒng)的新狀態(tài)更新控制器的初始條件，之后重復(fù)整個執(zhí)行過程，如此周而復(fù)始實現(xiàn)牌號切換的自動控制。
全套牌號切換控制過程可以在工控級組態(tài)界面上完成，此過程可以參考本說明書下文中提供的工業(yè)實例應(yīng)用。與傳統(tǒng)牌號切換方法相比，本發(fā)明給出的聚丙烯裝置牌號切換控制器設(shè)計方法的最大特點是可以根據(jù)系統(tǒng)運行的實際狀態(tài)實現(xiàn)牌號的自動切換控制，保證牌號切換過程的經(jīng)濟性和節(jié)能降耗。下文具體實施方法以聚丙烯牌號切換過程中最常見的均聚物與均聚物、均聚物與共聚物、共聚物與共聚物之間切換為例說明本發(fā)明的實際效果，但本發(fā)明的應(yīng)用范圍并不以這些實施例中的切換牌號為限。如前所述，本發(fā)明除了可以用于聚丙烯裝置牌號切換過程外，還可以用于聚乙烯、聚氯乙烯等各類烯烴聚合裝置的牌號切換過程。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、設(shè)計簡單、容易理解、實現(xiàn)在線投運簡便、實用性強；2、在相當寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)聚丙烯牌號特別是非同類牌號的連續(xù)自動切換，可極大地縮短牌號切換時間，降低不合格產(chǎn)品的排放，提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益和市場競爭力。



圖1為聚丙烯裝置Spheripol工藝流程圖， 其中，Catalyst為催化劑；Cocatalyst為助催化劑；RW為各反應(yīng)器循環(huán)冷卻水；TIC表示反應(yīng)溫度控制器；RAC1表示氫烯濃度比控制器；RAC2表示乙烯丙烯濃度比控制器。
圖2為本發(fā)明給出的牌號切換控制器的設(shè)計方案示意圖。
圖3為本發(fā)明實際運行時采用的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為均聚牌號切換至抗沖共聚牌號的切換過程閉環(huán)輸出曲線和輸入曲線， 其中，圖4(a)中虛線和實線分別為1#和2#環(huán)管反應(yīng)器累積熔融指數(shù)預(yù)報輸出軌跡；圖4(b)為流化床反應(yīng)器累積熔融指數(shù)輸出軌跡(其中實線為本發(fā)明的控制結(jié)果，點線為工廠實際切換操作結(jié)果，下同)；圖4(c)為流化床累積乙烯含量輸出軌跡；圖4(d)為1#環(huán)管反應(yīng)器反應(yīng)溫度輸入曲線；圖4(e)為1#環(huán)管反應(yīng)器氫烯濃度比輸入曲線；圖4(f)為2#環(huán)管反應(yīng)器反應(yīng)溫度輸入曲線；圖4(g)為2#環(huán)管反應(yīng)器氫烯濃度比輸入曲線；圖4(h)為流化床反應(yīng)器反應(yīng)溫度輸入曲線；圖4(i)為流化床反應(yīng)器氫烯濃度比輸入曲線；圖4(j)為流化床反應(yīng)器乙烯丙烯濃度比輸入曲線；各子圖中Times表示時間刻度。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖1～圖4，一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法，所述控制方法包括如下步驟 1)、建立聚丙烯牌號切換過程離散時間狀態(tài)空間模型，參見式(1a)和式(1b) (1a) (1b) 其中，式(1a)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，Etc，1，Etc，2]′、u＝[u1，u2]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，2)，Etc，2]′分別為切換到均聚物或無規(guī)共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；式(1b)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，ln(MIc，3)，Etc，3]′、u＝[u1，u2，u3]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm；T3，C3hm，C3mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，3)，Etc，3]′分別為切換到共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；Ts為系統(tǒng)離散時間；MIc，k和MIi，k、Etc，k和Eti，k分別是第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的累積熔融指數(shù)和瞬時熔融指數(shù)、累積乙烯含量和瞬時乙烯含量；Tk、Ckhm、Ckmm、τk分別為第k(k＝1，2，3)個反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、氫氣丙烯濃度比、乙烯丙烯濃度比、反應(yīng)停留時間；θk(k＝1，2，3)為狀態(tài)空間模型辨識參數(shù)。
將模型(1a)和(1b)統(tǒng)一描述為式(2) 2)、計算式(2)的穩(wěn)態(tài)值，參見式(3) 其中xs、vs和us分別表示系統(tǒng)狀態(tài)、中間變量和輸入變量的穩(wěn)態(tài)值； 3)、根據(jù)式(3)標定系統(tǒng)的狀態(tài)、中間變量和輸入變量，參見式(4a) Sx＝diag{sx(i)，i＝1，2，3，4}；Sv＝diag{sv(i)，i＝1，2，3，4}； Su1＝diag{su1(i)，i＝1，2，3}；Su2＝diag{su2(i)，i＝1，2，3}； (4a) Su3＝diag{su3(i)，i＝1，2，3} 其中標定系數(shù)為(4b) sx(i)＝(xs，m(i))-2，sv(i)＝(vs，m(i))-2，i＝1，2，3，4； 其中，“·s，o(i)”表示當前生產(chǎn)牌號對應(yīng)的第i個狀態(tài)、中間變量或輸入分量的穩(wěn)態(tài)值；“·s，m(i)”表示目標牌號對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值； 4)、根據(jù)系統(tǒng)一次性能指標，參見式(5) 建立式(2)中線性子系統(tǒng)最優(yōu)控制器，參見式(6) v(t)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(t)-xs)+vs(6) 其中矩陣P是矩陣方程，參見式(7) A′PA-P+A′PB(RSv+B′PB)-1B′PA+QSx＝0 (7) 的對稱正定解矩陣；其中Q≥0和R>0分別為狀態(tài)和中間變量的加權(quán)矩陣； 5)、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的期望極點，運用極點配置法設(shè)計狀態(tài)觀測器，參見式(8) 其中L為觀測器增益矩陣； 6)、系統(tǒng)二次性能指標，參照式(9) (9) 建立基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制器，參見式(10) s.t.x(i+1)＝Ax(i)+Bg(u(i)，i)， v(i)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(i)-xs)+vs (10) x(i)∈Γx，v(i)∈Γv，u(i)∈Γu i＝t，…，t+Tp 其中，集合Γx、Γv和Γu表示切換過程的狀態(tài)、中間變量和輸入等約束條件；

(t)表示當前t時刻的狀態(tài)觀測值；Wj>0(j＝1，2，3)為輸入變量的加權(quán)矩陣。
在線計算有限步長動態(tài)優(yōu)化控制問題，即式(10)，并根據(jù)滾動優(yōu)化原理，得到基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制量，參照式(11) 控制器在每個采樣時刻通過狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)狀態(tài)，并以該觀測狀態(tài)更新優(yōu)化控制問題的初始條件，然后滾動優(yōu)化計算當前時刻的預(yù)測控制量，周而復(fù)始，直到牌號切換過程過渡到目標牌號并穩(wěn)定生產(chǎn)為止。
本實施例為均聚牌號切換至抗沖共聚牌號，具體有 假設(shè)在生產(chǎn)牌號管理界面中，當前生產(chǎn)牌號為均聚物J_PP_10。此時1#和2#環(huán)管反應(yīng)器仍為牌號J_PP_10的穩(wěn)態(tài)工藝值，3#流化床反應(yīng)器內(nèi)氫氣濃度和乙烯濃度均為零，同時根據(jù)實際牌號切換操作，假設(shè)牌號切換前流化床內(nèi)溫度已穩(wěn)定在340K。下面闡述均聚牌號切換至抗沖共聚牌號的具體操作過程。
1、在生產(chǎn)牌號管理界面中，通過點擊“上一個”或“下一個”鍵選擇切換的目標牌號為抗沖共聚牌號K_PP_02。
2、根據(jù)切換目標牌號，在組態(tài)界面中(修改)生成牌號切換數(shù)學(xué)模型和切換約束條件如下 切換模型 切換約束 3、在組態(tài)界面上點擊“控制器組態(tài)”按鈕進入下一組態(tài)界面，啟動工控機的CPU調(diào)用事先編制好的“切換控制程序”軟件包設(shè)計出滾動優(yōu)化切換控制器。具體計算過程如下 (1)令x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，ln(MIc，3)，Etc，3]′、u＝[u1，u2，u3]＝[T1，C1hm，0；T2，C2hm，0；T3，C3hm，C3mm]′、y＝[ln(MIc，3)，Etc，3]′以及系統(tǒng)離散時間Ts＝0.5h，則由公式(2)可得牌號切換過程離散時間狀態(tài)空間模型為 (2)根據(jù)切換目標牌號和公式(3)計算切換模型的穩(wěn)態(tài)值，得 同時將計算數(shù)據(jù)送入工控機動態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存。
(3)根據(jù)切換目標牌號和公式(4)標定系統(tǒng)狀態(tài)、中間變量和輸入變量，得 并將這些標定數(shù)據(jù)送入工控機動態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存。
(4)設(shè)定牌號切換過程一次性能指標如下 其中Q＝diag{1，1，1，1}，R＝diag{5，5，5，5}，則根據(jù)公式(6)和(7)計算線性子系統(tǒng)的最優(yōu)控制器為 (5)設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的期望極點P_ob＝{0.09，0.095，0.1，0.098}，則根據(jù)Lyapunov法和公式(8)得系統(tǒng)狀態(tài)觀測器方程為 (6)設(shè)定牌號切換過程二次性能指標如下 其中Tp＝4，Wj＝diag{0.1，0.1，0.1}，j＝1，2，3，則根據(jù)公式(10)定義有限步長動態(tài)優(yōu)化控制問題 s.t.x(i+1)＝Ax(i)+Bg(u(i)，i)， v(i)＝-K·(x(i)-xs)+vs x(i+1)∈Γx，v(i)∈Γv，u(i)∈Γu i＝t，…，t+3 運用遺傳算法在線計算上述優(yōu)化控制問題，得最優(yōu)控制解 根據(jù)公式(12)得基于狀態(tài)觀測器的牌號切換模型預(yù)測控制量為 控制器在每個采樣時刻通過狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)的狀態(tài)，據(jù)此更新有限步長動態(tài)優(yōu)化控制問題的初始條件，然后滾動優(yōu)化計算當前時刻的預(yù)測控制量。
(7)仿真調(diào)試模型預(yù)測控制器的設(shè)計參數(shù)Q、R、W1、W2和W3，得 Q＝diag{1，1，1，1}，R＝diag{5，5，5，5}，W1＝W2＝W3＝diag{0.1，0.1，0.1} 4、點擊組態(tài)界面中的“牌號切換運行”按鈕，啟動工控機的CPU讀取最佳控制器參數(shù)，并執(zhí)行“牌號切換自動控制程序”得到當前時刻最優(yōu)的控制量即聚合反應(yīng)條件，然后將該最優(yōu)聚合反應(yīng)條件傳送至回路控制器并更新其設(shè)定值?；芈房刂破鲹?jù)此調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)裝置，使聚合過程運行在設(shè)定的范圍內(nèi)。此時組態(tài)界面上顯示的是在線情況下的聚合系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線。在下一個采樣時刻到來時，通過觀測聚合系統(tǒng)的新狀態(tài)更新控制器的初始條件，之后重復(fù)整個執(zhí)行過程，如此周而復(fù)始實現(xiàn)牌號切換的自動控制。
以上闡述的是本發(fā)明給出的一個實施例所表現(xiàn)出的優(yōu)良牌號切換控制效果。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實施例，對于均聚牌號、無規(guī)共聚牌號和抗沖共聚牌號等同類牌號之間切換，特別是非同類牌號之間切換操作，采用本發(fā)明給出的方法設(shè)計牌號切換控制器，同樣能實現(xiàn)良好的牌號切換控制效果。本發(fā)明給出的聚丙烯裝置牌號切換控制器的設(shè)計方法可廣泛應(yīng)用于聚乙烯、聚氯乙烯等各類烯烴聚合裝置的牌號切換控制。
權(quán)利要求
1、一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步驟
1)、建立聚丙烯牌弓切換過程離散時間狀態(tài)空間模型，參見式(1a)和式(1b)
其中，式(1a)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，Etc，1，Etc，2]′、u＝[u1，u2]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，2)，Etc，2)]′分別為切換到均聚物或無規(guī)共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；式(1b)中，x＝[x1，x2，x3，x4]′＝[ln(MIc，1)，ln(MIc，2)，ln(MIc，3)，Etc，3]′、u＝[u1，u2，u3]＝[T1，C1hm，C1mm；T2，C2hm，C2mm；T3，C3hm，C3mm]′和y＝[y1，y2]′＝[ln(MIc，3)，Etc，3]′分別為切換到共聚物牌號時的狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量；Ts為系統(tǒng)離散時間；MIc，k和MIi，k、Etc，k和Eti，k分別是第k個反應(yīng)器的累積熔融指數(shù)和瞬時熔融指數(shù)、累積乙烯含量和瞬時乙烯含量，其中，k＝1，2，3；Tk、Ckhm、Ckmm、τk分別為第k個反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、氫氣丙烯濃度比、乙烯丙烯濃度比、反應(yīng)停留時間；θk為狀態(tài)空間模型辨識參數(shù)；
將模型(1a)和(1b)統(tǒng)一描述為式(2)
2)、計算式(2)的穩(wěn)態(tài)值，參見式(3)
其中xs、vs和us分別表示系統(tǒng)狀態(tài)、中間變量和輸入變量的穩(wěn)態(tài)值；
3)、根據(jù)式(3)標定系統(tǒng)的狀態(tài)、中間變量和輸入變量，參見式(4a)
Sx＝diag{sx(i)，i＝1，2，3，4}；Sv＝diag{sv(i)，i＝1，2，3，4}；
Su1＝diag{su1(i)，i＝1，2，3}；Su2＝diag{su2(i)，i＝1，2，3}；(4a)
Su3＝diag{su3(i)，i＝1，2，3}
其中標定系數(shù)為(4b)
sx(i)＝(xs，m(i))-2，sv(i)＝(vs，m(i))-2，i＝1，2，3，4；
其中，“·s，o(i)”表示當前生產(chǎn)牌號對應(yīng)的第i個狀態(tài)、中間變量或輸入分量的穩(wěn)態(tài)值；“·s，m(i)”表示目標牌號對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值；
4)、根據(jù)系統(tǒng)一次性能指標，參見式(5)
建立式(2)中線性子系統(tǒng)最優(yōu)控制器，參見式(6)
v(t)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(t)-xs)+vs (6)
其中矩陣P是矩陣方程，參見式(7)
A′PA-P+A′PB(RSv+B′PB)-1B′PA+QSx＝0 (7)
的對稱正定解矩陣，其中Q≥0和R>0分別為狀態(tài)和中間變量的加權(quán)矩陣；
5)、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的期望極點，運用極點配置法設(shè)計狀態(tài)觀測器，參見式(8)
其中L為觀測器增益矩陣；
6)、根據(jù)系統(tǒng)二次性能指標，參照式(9)
建立基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制器，參見式(10)
s.t.x(i+1)＝Ax(i)+Bg(u(i)，i)，
v(i)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(i)-xs)+vs (10)
x(i)∈Γx，v(i)∈Γv，u(i)∈Γu
i＝t，…，t+Tp
其中，集合Γx、Γv和Γu表示切換過程的狀態(tài)、中間變量和輸入等約束條件；
(t)表示當前t時刻的狀態(tài)觀測值；Wj>0(j＝1，2，3)為輸入變量的加權(quán)矩陣。
在線計算有限步長動態(tài)優(yōu)化控制問題，即式(10)，并根據(jù)滾動優(yōu)化原理，得到基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制量，參照式(11)
控制器在每個采樣時刻通過狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)狀態(tài)，并以該觀測狀態(tài)更新優(yōu)化控制問題的初始條件，然后滾動優(yōu)化計算當前時刻的預(yù)測控制量，周而復(fù)始，直到牌號切換過程過渡到目標牌號并穩(wěn)定生產(chǎn)為止。
全文摘要
一種聚丙烯裝置牌號切換控制方法，通過建立聚丙烯牌號切換過程離散時間狀態(tài)空間Hammerstein模型，根據(jù)系統(tǒng)一次性能指標建立線性子系統(tǒng)最優(yōu)控制器，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的期望極點，運用極點配置法設(shè)計狀態(tài)觀測；根據(jù)系統(tǒng)二次性能指標建立基于狀態(tài)觀測器的模型預(yù)測控制器，更新優(yōu)化控制問題的初始條件，然后滾動優(yōu)化計算當前時刻的預(yù)測控制量，周而復(fù)始，直到牌號切換過程過渡到目標牌號并穩(wěn)定生產(chǎn)為止。本發(fā)明設(shè)計簡單、容易理解、實現(xiàn)在線投運簡便、實用性強，在相當寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)聚丙烯牌號特別是非同類牌號的連續(xù)自動切換，可極大地縮短牌號切換時間，降低不合格產(chǎn)品的排放，提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益和市場競爭力。
文檔編號G05B13/04GK101452261SQ20081016341
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者何德峰, 立 俞, 歐林林, 超 何 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)