專利名稱：空分主塔的非線性控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分主塔的控制系統(tǒng)和方法設(shè)計領(lǐng)域，特別地，涉及一種空分主塔的 非線性控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
空分裝置是用來把空氣中的各組分氣體分離，得到氧、氮、氬等高純工業(yè)氣體的裝 置。它是眾多關(guān)系國民經(jīng)濟命脈的產(chǎn)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(shè)備，其發(fā)展規(guī)模與技術(shù)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(biāo)志?？辗植僮魇且粋€涉及低溫、多設(shè)備、長流程、操作復(fù)雜、安全生 產(chǎn)要求很高的一個復(fù)雜過程。生產(chǎn)中，氧、氮、氬產(chǎn)品的純度往往要求高達99%以上，屬于高 純精餾控制問題，對空分主塔操作的平穩(wěn)性要求很高，而高純精餾過程由于其所表現(xiàn)出來 的復(fù)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。當(dāng)今，空氣分離技術(shù)越來越朝專業(yè)化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，在保證最大收 益的前提下，努力降低能耗是這項技術(shù)面臨的主要工作。這也要求在實際工作中改善流程 控制方案，從而進一步提高空氣分離的自動化控制技術(shù)水平。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的空分主塔所具備的復(fù)雜的動態(tài)特性，強烈的非線性和回路之間的 強耦合性，傳統(tǒng)的如PID及其它線性控制方案很難得到較好的控制效果的不足，本發(fā)明提 供一種能夠適應(yīng)空分主塔的動態(tài)特性、強烈的非線性和回路之間的耦合性、并提供良好的 控制效果的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用 于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫及上位機，所述現(xiàn)場智能儀表、數(shù)據(jù)庫和上位機依次相連，所述的 上位機包括用以運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算得到當(dāng)前時刻控制變量的輸出值的非線性 控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊，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)、 ⑵ 其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測控制模塊，用于編寫并儲存用微分方程描述的空分主塔機理模 型，并支持對關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線調(diào)整，求解如下非線性動態(tài)優(yōu)化命題
一ft+tp目標(biāo)函數(shù)min/= {μγ}χ (e) + (ζ, χ, u) + ^J3 [Vumv ))d τ(5)
u(-)^t約束條件X&(t)= f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <u(T)<uubytg[t,t + Tc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，Tp和Τ。分別是預(yù)測時域和控制時域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過程 對象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時間，τ為暫態(tài)時間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過程模型，公式(4)是過程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時域，小于等于預(yù)測時域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過程微分變量的上下限。在每個采樣時刻，求解上述非線性動態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動優(yōu)化；在線滾動優(yōu)化，基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對控制變量u (t)進行離散化， 將無限維問題化為有限維問題。然后通過調(diào)用定步長顯式四階龍格_庫塔算法來求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個值為當(dāng)前時刻控制器的 輸出值。作為優(yōu)選的一種方案所述的非線性控制系統(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)庫為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。進一步，所述的非線性控制器還包括人機界面模塊，用于過程歷史狀態(tài)及預(yù)測狀 態(tài)的顯示，以及控制器參數(shù)的選取、設(shè)定。一種空分主塔的非線性控制方法所述的控制方法包括以下步驟1)設(shè)定空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylsrt、Xnset,以及系統(tǒng)采樣周期；確定預(yù) 測時域Tn，和控制時域T。；2)設(shè)定非線性模型預(yù)測控制模塊的過程狀態(tài)塔板數(shù)n，進料塔板數(shù)f，氮組分的安 托尼常數(shù)a，b，c，進料流率F，進料組分Zf，塔板持液量等；通過運用機理方程編寫非線性微 分方程模型，得到以下近似過程模型描述x&(t) = f(x(t)，y(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，y(t)，u(t)，p)(4)其中，x&(t)為微分變量的一階導(dǎo)數(shù)，χ (t)為微分變量，y(t)為輸出變量，u(t)為 控制變量，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；3)確定當(dāng)前時刻的預(yù)測時域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T
4)每個采樣時刻，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)γ __10 ‘ C⑴
1 a-\ (a-\)PxXn= S^T(2)
10 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；5)控制器從數(shù)據(jù)庫中讀取X1和Xn的值作為輸入，采用改進的控制變量參數(shù)化方 法進行非線性動態(tài)優(yōu)化求解得到當(dāng)前時刻的控制變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、 液氧產(chǎn)品流量以及過程的預(yù)測輸出；6)將運算得到的控制變量值的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)娇辗种魉ο?。進一步，所述非線性控制方法還包括7)將所述的步驟5)中計算得到的控制變量 以及檢測得到的實際組分歷史數(shù)據(jù)和運算中得到的過程的預(yù)測輸出在控制器的人機界面
上顯不。再進一步，所述的數(shù)據(jù)庫為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，在所述步驟7)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，采用空分主塔的塔頂液氮產(chǎn)品中氮的組分Y1和塔底液氧產(chǎn) 品中氮的組分Xn為被控變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、液氧產(chǎn)品流量為相應(yīng)的控 制變量。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在非線性控制系統(tǒng)有效的解決了空分主塔的強非線性， 強耦合性以及復(fù)雜的過程動態(tài)，實現(xiàn)了對空分主塔塔頂塔底雙組分的平穩(wěn)控制，另外采用 非線性控制系統(tǒng)也很大程度的優(yōu)化了過程的操作條件，較傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)以及其它基 于模型的控制系統(tǒng)在動態(tài)性能上有了很大的改進，所以有非常大的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)的硬件連接圖。圖2是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)的原理框圖。圖3是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)現(xiàn)場連接圖。圖4是基于改進的控制變量參數(shù)化方法的動態(tài)優(yōu)化原理圖。
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。實施例1參照圖1 圖3，一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔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)庫及上位機6，智能儀表2、數(shù)據(jù)庫及上位機6依 次相連。所述的上位機6為非線性控制器，所述的非線性控制器包括
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)、 ⑵ 其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測控制模塊11，用于編寫并儲存用微分方程描述的空分主塔機理模 型，并支持對關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線調(diào)整，如進料組分，進料流率等。該機理模型可以歸納 為 包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為P，其中x& (t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。并求解如下非線性動態(tài)優(yōu)化命題 目標(biāo)函數(shù) 約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)
(4)uLB <w(r)<wra,Vre[i,i + rc](6)
(7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，！；和??；分別是預(yù)測時域和控制時域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過程 對象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時間，τ為暫態(tài)時間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過程模型，公式⑷是過程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時域，小于等于預(yù)測時域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過程微分變量的上下限，在每個采樣時刻，求解上述非線性動態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動優(yōu)化；在線滾動優(yōu)化，運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算得到當(dāng)前時刻的控制變量。求解上述非線性動態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進的控制變量參數(shù)化方法。參照圖4，改 進的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對控制變量u (t)進行離散化， 將無限維問題化為有限維問題。然后通過調(diào)用定步長顯式四階龍格_庫塔算法來求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個值為當(dāng)前時刻控制變量的輸出值。所述非線性控制器還包括檢測模塊7，包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，用于 檢測空分主塔上塔兩端的溫度和壓力；I/O模塊9，用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內(nèi)部 以及控制器與DCS之間的傳輸；所述的非線性模型預(yù)測控制模塊11還包括1/0模塊，用于非線性控制器的內(nèi)部 及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的傳輸。所述的非線性控制系統(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)庫為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)12、非線性控制器6通過現(xiàn)場總線依次連接。本實施例的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，所述的非線性控制 系統(tǒng)的核心為非線性控制器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 分主塔1、非線性控制器6，現(xiàn)場智能儀表2、DCS通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息的上傳下 達。非線性控制系統(tǒng)實時得通過檢測或從歷史數(shù)據(jù)庫5中提取的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)運算得到當(dāng) 前時刻控制變量的值，并返回給底層控制系統(tǒng)，及時對過程動態(tài)做出反應(yīng)。本實施例的空分主塔的非線性控制器的原理框圖如附圖2所示，所述的非線性控 制器包括推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)品組分不能被直接測量的難題，相對于在線 應(yīng)用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測量滯后且具有較高的可靠性。_檢測模塊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。I/O模塊9 用于電信號、和數(shù)據(jù)信號在控制器內(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)檢測得到的溫度與壓強數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、 ⑵γ __10 ‘ C⑴
1 a-\ (a-\)PxΧη=Λα( ；^!(2)
10 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測控制模塊11，用于運用非線性模型預(yù)測控制算法得到實時的控制 變量的值。I/O模塊9，用于非線性控制器的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號、數(shù)據(jù)信號的 傳輸；如控制器從DCS的歷史數(shù)據(jù)庫中讀取當(dāng)前狀態(tài)值，控制器將運算得到的控制變量值 傳遞給底層控制回路。非線性模型預(yù)測控制模塊11，用于編寫并儲存用微分方程描述的空分主塔機理模 型，并支持對關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線調(diào)整，如進料組分，進料流率等。該機理模型可以歸納 為
x&(t) = f(x(t),z(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為P，其中x& (t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。并求解如下非線性動態(tài)優(yōu)化命題
一ft+Tp目標(biāo)函數(shù) minJ=(e) + μ232 (ζ, χ, u) + ^J3 (Vumv ))d τ(5)
W(·)Jt約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <w(r)<wra,Vre[i,i + rc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，！；和??；分別是預(yù)測時域和控制時域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過程 對象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時間，τ為暫態(tài)時間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過程模型，公式(4)是過程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時域，小于等于預(yù)測時域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過程微分變量的上下限，在每個采樣時刻，求解上述非線性動態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動優(yōu)化；在線滾動優(yōu)化，運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算得到當(dāng)前時刻的控制變量。求解上述非線性動態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進的控制變量參數(shù)化方法。參照圖4，改 進的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對控制變量u (t)進行離散化， 將無限維問題化為有限維問題。然后通過調(diào)用定步長顯式四階龍格_庫塔算法來求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個值為當(dāng)前時刻控制變量 的輸出值。所述的空分主塔的非線性控制器還包括人機界面模塊8，用于歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)當(dāng) 前狀態(tài)的顯示，以及控制系統(tǒng)參數(shù)選擇等的操作。本實施例的空分主塔的非線性控制系統(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(chǎn)品中氮的組分Y1、上塔14底部液氧產(chǎn)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(chǎn)品的流量為相應(yīng)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)，非線性控制器通過 現(xiàn)場和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)計算當(dāng)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。實施例2參照圖1 圖3，一種空分主塔的非線性控制方法，按照如下步驟來實現(xiàn)第一部分，系統(tǒng)初始化1)在非線性控制器6中設(shè)置好空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylset,Xnsrt,以及系統(tǒng)采樣周期。2)設(shè)定非線性模型預(yù)測控制模塊的過程狀態(tài)參數(shù)；通過運用機理方程編寫非線 性微分方程模型，可以得到以下近似過程模型描述x&(t) = f(x(t),z(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為p，其中x&(t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。3)確定預(yù)測時域Tp，和控制時域Τ。。4)設(shè)置非線性動態(tài)優(yōu)化模塊的優(yōu)化精度，以及改進的變量參數(shù)化方法的分段數(shù)。第二部分系統(tǒng)的投運1)每個DCS采樣時刻，現(xiàn)場智能儀表2檢測空分主塔1的溫度、壓力數(shù)據(jù)并傳送到 數(shù)據(jù)庫5中；2)確定當(dāng)前時刻的預(yù)測時域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T3)每個控制器采樣時刻，非線性控制器6從數(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(dāng)前時刻被控變量Y1, XnW值，其算式為(1)、(2)__10 ‘ C⑴
1 α-\ (α-\)ΡλΧη=Λα( ；^!(2)
10 b (α-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；4)基于從組分推斷模塊10得到的Y1, Xn的值，通過非線性模型預(yù)測控制模塊11 的運算得到當(dāng)前時刻的控制變量的輸出值。具體運算方法是運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算 得到當(dāng)前時刻的控制變量的值。求解如下非線性動態(tài)優(yōu)化命題
一ft+Tp目標(biāo)函數(shù) minJ=(e) + μ232 (ζ, χ, u) + ^J3 (Vumv ))d τ(5)
W(·)Jt約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <u(T)<uUByTG[t,t + Tc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，Tp和Τ。分別是預(yù)測時域和控制時域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過程 對象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時間，τ為暫態(tài)時間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；
公式(3)是非線性過程模型，公式⑷是過程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時域，小于等于預(yù)測時域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過程微分變量的上下限。在每個采樣時刻，求解上述非線性動態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動優(yōu)化；求解上述非線性動態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進的控制變量參數(shù)化方法。參照圖4，改 進的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對控制變量u (t)進行離散化， 將無限維問題化為有限維問題。然后通過調(diào)用定步長顯式四階龍格_庫塔算法來求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個值為當(dāng)前時刻控制器的 輸出值。5)將當(dāng)前時刻控制器的數(shù)據(jù)信號返回給DCS系統(tǒng)，并作用于現(xiàn)場空分主塔。6)將結(jié)果送到各級系統(tǒng)的顯式模塊上進行顯示，方便工程師及時對過程動態(tài)做出 反應(yīng)并予以操作，包括空分主塔的人機界面模塊8，DCS系統(tǒng)的控制站4和現(xiàn)場工作站。
權(quán)利要求
一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫及上位機，所述現(xiàn)場智能儀表、數(shù)據(jù)庫和上位機依次相連，其特征在于所述的上位機包括用以運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算得到當(dāng)前時刻控制變量的輸出值的非線性控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊，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) <mrow><msub> <mi>Y</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&alpha;</mi> <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <msup><mn>10</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mfrac><mi>b</mi><mrow> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>c</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </msup> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>Xn</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>Pn&alpha;</mi> <mrow><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1為上塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，T1、Tn分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測控制模塊，用于編寫并儲存用微分方程描述的空分主塔機理模型，并支持對關(guān)鍵過程參數(shù)進行在線調(diào)整，求解如下非線性動態(tài)優(yōu)化命題目標(biāo)函數(shù) <mrow><munder> <mi>min</mi> <mrow><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>)</mo></mrow> </mrow></munder><mi>J</mi><mo>=</mo><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mi>t</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&mu;</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>e</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>&mu;</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>u</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>&mu;</mi><mn>3</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>3</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>Vu</mi> <mi>MV</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>d&tau;</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>約束條件x&(t)＝f(x(t)，z(t)，u(t)，p) (3)0＝g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4) <mrow><msup> <mi>u</mi> <mi>LB</mi></msup><mo>&le;</mo><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&le;</mo><msup> <mi>u</mi> <mi>UB</mi></msup><mo>,</mo><mo>&ForAll;</mo><mi>&tau;</mi><mo>&Element;</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>c</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>&ForAll;</mo><mi>&tau;</mi><mo>&Element;</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>c</mi></msub><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <mi>x</mi> <mi>LB</mi></msup><mo>&le;</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&tau;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&le;</mo><msup> <mi>x</mi> <mi>UB</mi></msup><mo>,</mo><mo>&ForAll;</mo><mi>&tau;</mi><mo>&Element;</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Tp和Tc分別是預(yù)測時域和控制時域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表征將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來預(yù)測輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過程對象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟指標(biāo)，x為微分變量，z為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變量的變化量VuMV，μ1、μ2、μ3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時間，τ為暫態(tài)時間變量，x&(t)為微分變量x的一階導(dǎo)數(shù)，p為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過程模型，公式(4)是過程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時域，小于等于預(yù)測時域的區(qū)域內(nèi)保持不變，公式(8)是過程微分變量的上下限，在每個采樣時刻，求解上述非線性動態(tài)優(yōu)化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動優(yōu)化；在線滾動優(yōu)化，基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對控制變量u(t)進行離散化，將無限維問題化為有限維問題，然后通過調(diào)用定步長顯式四階龍格-庫塔算法來求解常微分方程，并最后利用SQP算法實現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個值為當(dāng)前時刻控制器的輸出值。
2.如權(quán)利要求1所述的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，其特征在于所述的非線性控制 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) 庫為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
3.如權(quán)利要求1或2所述的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，其特征在于所述的非線性控制器還包括人機界面模塊，用于過程歷史狀態(tài)及預(yù)測狀態(tài)的顯示，以及控制器參數(shù)的選 取、設(shè)定。
4.一種用如權(quán)利要求1所述的空分主塔的非線性控制系統(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)設(shè)定空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylsrt、Xnset,以及系統(tǒng)采樣周期；確定預(yù)測時 域Tp，和控制時域T。；2)設(shè)定非線性模型預(yù)測控制模塊的過程狀態(tài)塔板數(shù)η，進料塔板數(shù)f，氮組分的安托尼 常數(shù)a，b，c，進料流率F，進料組分Zf，塔板持液量等；通過運用機理方程編寫非線性微分方 程模型，得到以下近似過程模型描述x&(t) = f(x(t), y(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，y(t)，u(t)，p)(4)其中，x&(t)為微分變量的一階導(dǎo)數(shù)，χ (t)為微分變量，y(t)為輸出變量，u(t)為控制 變量，P為過程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；3)確定當(dāng)前時刻的預(yù)測時域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T4)每個采樣時刻，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)η ι η ri+cγ a --⑴a-\ (a-VjPlXn = ^---—(2)n), a-lV 710 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1為上 塔塔頂壓強，Pn為上塔塔底壓強，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對 揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；5)控制器從數(shù)據(jù)庫中讀取Y1和Xn的值作為輸入，采用改進的控制變量參數(shù)化方法進 行非線性動態(tài)優(yōu)化求解得到當(dāng)前時刻的控制變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、液氧 產(chǎn)品流量以及過程的預(yù)測輸出；6)將運算得到的控制變量值的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)娇辗种魉ο蟆?br> 5.如權(quán)利要求4所述的非線性控制方法，其特征在于所述非線性控制方法還包括7)將所述的步驟5)中計算得到的控制變量以及檢測得到的實際組分歷史數(shù)據(jù)和運算 中得到的過程的預(yù)測輸出在控制器的人機界面上顯示。
6.如權(quán)利要求5所述的非線性控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)庫為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，在所述步驟7)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
一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫及上位機，所述現(xiàn)場智能儀表、數(shù)據(jù)庫及上位機依次相連，所述的上位機包括用以運用非線性動態(tài)優(yōu)化在線運算得到當(dāng)前時刻控制變量的輸出值的非線性控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊、非線性模型預(yù)測控制模塊。并提供了一種空分主塔的非線性控制方法。本發(fā)明較傳統(tǒng)PID等控制系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對兩端組分的平穩(wěn)操作，并且具有更好的動態(tài)控制效果。
文檔編號G05B13/04GK101881963SQ20101021372
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者劉興高, 王成裕 申請人:浙江大學(xué)