專利名稱：一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾節(jié)能控制領(lǐng)域，尤其提出了一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
精餾過(guò)程是化工過(guò)程中的一種核心過(guò)程，精餾塔是其中的一個(gè)關(guān)鍵單元。長(zhǎng)久以來(lái)，精餾塔因?yàn)楦吆哪?，低能效的?wèn)題成為國(guó)際精餾領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。目前針對(duì)精餾過(guò)程的能耗問(wèn)題主要有兩方面的解決方案一種設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)，利用熱量耦合實(shí)現(xiàn)能量重復(fù)利用達(dá)到節(jié)能目的，一種設(shè)計(jì)高效精餾過(guò)程控制策略，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量減少?gòu)U料從而達(dá)到節(jié)能目的。盡管有較多實(shí)驗(yàn)研究證明內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程具有極大的節(jié)能潛力，但是由于內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程中的精餾段與提餾段之間存在極強(qiáng)的耦合性且該過(guò)程具有十分復(fù)雜的強(qiáng)非線性，導(dǎo)致內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的控制策略設(shè)計(jì)顯得尤為困難。
傳統(tǒng)的PID、內(nèi)膜控制方案等已經(jīng)不能滿足要求，尤其在內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程控制當(dāng)中，這些方案已經(jīng)很難使精餾過(guò)程穩(wěn)定。而基于線性辨識(shí)模型的預(yù)測(cè)控制方案只能工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近，稍微增大干擾幅度，或者設(shè)定值階躍變化系統(tǒng)控制質(zhì)量則出現(xiàn)明顯下降。事實(shí)表明內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制方案對(duì)于內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的平穩(wěn)操作起著關(guān)鍵的作用。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的控制效果不好、控制品質(zhì)不理想的不足，本發(fā)明的提供一種控制效果良好、控制品質(zhì)理想的內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)，所述現(xiàn)場(chǎng)智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)連接，所述的上位機(jī)包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預(yù)測(cè)控制器，所述的非線性預(yù)測(cè)控制器包括 組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，計(jì)算式為(1)(2) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)； 模型參數(shù)自適應(yīng)校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)(4) 其中

為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks為擬合參數(shù)，Sr，Ss分別為高效節(jié)能精餾塔精餾段、提餾段液相組分濃度分布的位置； 控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17) 約束條件 V1(t)＝F(1-q(t)) (10) Ln(t)＝Fq(t) (11) Vf(t)＝V1(t)+Lf-1(t) (13) Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s (14) q(t0)＝q(k)(15) Pr(t0)＝P(k) (16) t0≤t≤tn (17) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提餾段，t0、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，X1*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；

分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，X1(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
進(jìn)一步，所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期T，控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值X1*，Xn*，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。
一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制方法，所述的控制方法包括以下步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，相對(duì)揮發(fā)度α，提餾段壓強(qiáng)Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中； 2)根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值X1*，Xn*，其中t0＝0并將設(shè)定值存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)； 3)從智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)Pr提餾段壓強(qiáng)Ps，以及各塔板溫度Ti，計(jì)算液相輕組分濃度值，計(jì)算式為(1)(2) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)； 4)用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)(4) 其中

為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks，Sr，Ss為擬合參數(shù)； 5)根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17) 約束條件 V1(t)＝F(1-q(t))(10) Ln(t)＝Fq(t)(11) Vf(t)＝V1(t)+Lf-1(t)(13) Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s(14) q(t0)＝q(k) (15) Pr(t0)＝P(k)(16) t0≤t≤tn (17) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，X1*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；

分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，X1(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度； 6)滾動(dòng)優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況值和精餾段壓強(qiáng)值輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整控制變量值。
進(jìn)一步，所述的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示高效節(jié)能精餾塔工作過(guò)程狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1.非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)有效的改進(jìn)了傳統(tǒng)基于線性辨識(shí)模型的常規(guī)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的跟蹤控制效果；2.非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的滾動(dòng)優(yōu)化環(huán)節(jié)由于采用了簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)非線性模型，具有很快的在線求解速度，大大提升了系統(tǒng)的工作效率；3.控制效果好、控制品質(zhì)高。



圖1是本發(fā)明所提出的內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是上位機(jī)非線性預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)方法的功能結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施例方式 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(lái)解釋說(shuō)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)利保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改或改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
下面根據(jù)附圖具體說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1 參照?qǐng)D1、圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔1直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置4，控制站5及上位機(jī)5，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場(chǎng)總線連接，所述現(xiàn)場(chǎng)總線與存儲(chǔ)裝置4、控制站5和上位機(jī)6連接；所述的上位機(jī)6包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律，輸出控制變量值的非線性預(yù)測(cè)控制器，所述的非線性預(yù)測(cè)控制器包括組分推斷模塊9，模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊10，控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊11； 組分推斷模塊9，用以從智能儀表2獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，計(jì)算式為(1)(2) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)。
模型參數(shù)自適應(yīng)校正擬合模塊10，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)(4) 其中

為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks為擬合參數(shù)，Sr，Ss分別為高效節(jié)能精餾塔精餾段、提餾段液相組分濃度分布的位置。
控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊11，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17) 約束條件 V1(t)＝F(1-q(t))(10) Ln(t)＝Fq(t)(11) Vf(t)＝V1(t)+Lf-1(t)(13) Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s(14) q(t0)＝q(k) (15) Pr(t0)＝P(k)(16) t0≤t≤tn (17) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，X1*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；

分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，X1(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
所述的上位機(jī)6包括人機(jī)界面模塊12，用于設(shè)定采樣周期T，控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值X1*，Xn*，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。
實(shí)施例2 參照?qǐng)D1和圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制方法，所述的控制方法包括以下步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，相對(duì)揮發(fā)度α，提餾段壓強(qiáng)Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中； 2)根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn(t0＝0)塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值X1*，Xn*，并將設(shè)定值存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù) 3)從智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)Pr提餾段壓強(qiáng)Ps，以及各塔板溫度Ti，計(jì)算液相輕組分濃度值，計(jì)算式為(1)(2) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)。
4)用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)(4) 其中

為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks，Sr，Ss為擬合參數(shù)。
5)根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17) 約束條件 V1(t)＝F(1-q(t))(10) Ln(t)＝Fq(t)(11) Vf(t)＝V1(t)+Lf-1(t)(13) Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s(14) q(t0)＝q(k) (15) Pr(t0)＝P(k)(16) t0≤t≤tn (17) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，X1*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；

分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，X1(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
6)滾動(dòng)優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況值和精餾段壓強(qiáng)值輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整控制變量值。
所述的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)裝置4，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口3，存儲(chǔ)裝置4和控制站5，其中現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場(chǎng)總線連接，所述現(xiàn)場(chǎng)總線與存儲(chǔ)裝置4、控制站5和上位機(jī)6連接，其中控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示高效節(jié)能精餾塔工作過(guò)程狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其特征在于所述非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)，所述現(xiàn)場(chǎng)智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)連接，所述的上位機(jī)包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預(yù)測(cè)控制器，所述的非線性預(yù)測(cè)控制器包括
組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，計(jì)算式為(1)(2)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，l為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)；
模型參數(shù)自適應(yīng)校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)(4)
其中
為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks為擬合參數(shù)，Sr，Ss分別為高效節(jié)能精餾塔精餾段、提餾段液相組分濃度分布的位置；
控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17)
約束條件
Vl(t)＝F(1-q(t))(10)
Ln(t)＝Fq(t)(11)
Vf(t)＝Vl(t)+Lf-1(t)(13)
Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s(14)
q(t0)＝q(k)(15)
Pr(t0)＝P(k)(16)
t0≤t≤tn(17)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，l為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提餾段，to、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vl(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Yl(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，Xl*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；
分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，Xl(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期T，控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值Xl*，Xn*，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。
3.一種如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的非線性預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于所述的非線性預(yù)測(cè)控制方法包括以下步驟
1)確定采樣周期T，并將T值，相對(duì)揮發(fā)度α，提餾段壓強(qiáng)Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中；
2)根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K1，K2，預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度tn塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值Xl*，Xn*，其中t0＝0并將設(shè)定值存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；
3)從智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)Pr提餾段壓強(qiáng)Ps，以及各塔板溫度Ti，計(jì)算液相輕組分濃度值，計(jì)算式為(1)(2)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，l為塔頂編號(hào)，f為進(jìn)料板編號(hào)，n為塔底編號(hào)，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)；
4)用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(3)
(4)
其中
為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks，Sr，Ss為擬合參數(shù)；
5)根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問(wèn)題表述如式(5)至式(17)
約束條件
Vl(t)＝F(1-q(t))(10)
Ln(t)＝Fq(t)(11)
Vf(t)＝Vl(t)+Lf-1(t)(13)
Sj(t0)＝Sj(k)j＝r，s(14)
q(t0)＝q(k)(15)
Pr(t0)＝P(k)(16)
t0≤t≤tn(17)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，l為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j代表r或者s，下角標(biāo)r和s分別代表精餾段和提留段，to、tn分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，λ為汽化潛熱常數(shù)，Xi(t)、Yi(t)分別為第i塊塔板輕組分液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(t)為第i對(duì)塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(t)為第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(t)為進(jìn)料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vl(t)，Vf(t)分別為塔頂和進(jìn)料板處的汽相流率，Lf-1(t)，Ln(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，Xf-1(t)，Xn(t)分別第f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Yl(t)，Yf(t)分別塔頂和進(jìn)料板處的汽相輕組分濃度，K1，K2為控制律參數(shù)，Xl*，Xn*分別為塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(k)為k采樣時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域起始時(shí)刻即t0時(shí)刻的進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)值，Sj(t0)為t0時(shí)刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置；
分別為精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置變化速度，Xl(tn)，Xn(tn)分別為預(yù)測(cè)時(shí)域終點(diǎn)即tn時(shí)刻的塔頂塔底液相輕組分濃度；
6)滾動(dòng)優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況值和精餾段壓強(qiáng)值輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整控制變量值。
4.如權(quán)利要求3所述的非線性預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于所述的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示高效節(jié)能精餾塔工作過(guò)程狀態(tài)。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的非線性預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和DCS系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)連接，上位機(jī)包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預(yù)測(cè)控制器，非線性預(yù)測(cè)控制器包括組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度；模型參數(shù)自適應(yīng)校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)；控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值。以及提供一種非線性預(yù)測(cè)控制方法，本發(fā)明控制效果良好、控制品質(zhì)理想。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101788810SQ20091015566
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)