專利名稱：一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾節(jié)能控制系統(tǒng)與方法設(shè)計(jì)問題，尤其提出了一種內(nèi)部熱耦合精餾 塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
精餾過程是化工過程中的一種核心過程，精餾塔是其中的一個(gè)關(guān)鍵單元。長久以 來，精餾塔因?yàn)楦吆哪?，低能效的問題成為國際精餾領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。目前針對精餾過程的 能耗問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)高效精餾過程控制策略，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量減少廢料從而達(dá)到節(jié) 能目的。盡管有較多實(shí)驗(yàn)研究證明內(nèi)部熱耦合精餾塔能夠顯著提高能源利用率，但是由于 內(nèi)部熱耦合精餾塔的精餾段與提餾段之間存在極強(qiáng)的耦合性且該塔具有十分復(fù)雜的強(qiáng)非 線性，該塔的控制策略設(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，在內(nèi)部熱耦合高純精餾過程控制 當(dāng)中，這些方案已經(jīng)很難使精餾過程穩(wěn)定。而基于線性辨識(shí)模型的預(yù)測控制方案只能工作 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。實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱耦合精餾塔的有效高純控制方案對于該高效節(jié)能過程具有十分重要的意 義。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的內(nèi)部熱耦合精餾塔的控制方法的抑制干擾能力差、控制效果差的 不足，本發(fā)明提供一種抑制干擾能力良好、控制效果好的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng) 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)方案是一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(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)場智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)相連；所述的上位機(jī)包括用以計(jì)算輸出內(nèi)部熱 耦合精餾塔控制變量值的高純自適應(yīng)非線性控制器，所述高純自適應(yīng)非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算內(nèi)部熱耦合精餾塔 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)庫當(dāng)中，采用式(1) (2)得 到 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)，Xjk)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾 段壓強(qiáng)、PS提餾段壓強(qiáng)，Tjk)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的溫度，a為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼常數(shù)；模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊，用以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的在線更新，在線擬合模型函數(shù)如 下
其中，友為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，xfflin,rafflax,r>krafflin,s>xfflax,s>ks為 擬合參數(shù)，sr, Ss分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提餾段液相組分濃度分布的位置；自適應(yīng)高純控制律求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，參考軌跡和當(dāng)前時(shí)刻 操作變量值求取當(dāng)前的控制變量的理想改變值，采用式(5)-(14)得到
明酬-a⑷不⑷(明⑷ 其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，X, (k)、^ (k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qjk)為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱 速率，Xi+M (k)為k采樣時(shí)刻第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱狀況，Pr (k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vjk)、V2(k)、 Vn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf^1 (k)、Llri (k)、Ln(k) 分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為 汽化潛熱，Υ*、Χ*分別為Υ、Χ的設(shè)定值，X1 (k) Jlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1 塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板 和塔底的汽相輕組分濃度，K1, K2, K3, K4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參 考軌跡，民(k) ,Sr(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的 位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位 置，Aq(k), APr(k)分別為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓 強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值。作為優(yōu)選的一種方案所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期t， 控制律參數(shù)K1, K2，K3, K4和塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值ΥΛ 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)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制方法，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)庫當(dāng)中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂塔底產(chǎn)品濃度設(shè)定值ΥΛ X:；3)從現(xiàn)場智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)&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，采用式(1) (2)得到 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)，η 為塔底編號(hào)，Xi (k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr (k)為k采樣時(shí)刻精餾 段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，TiGO為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線校正模塊實(shí)現(xiàn)模型 參數(shù)，擬合模型函數(shù)如下 其中，友為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，XmiM、Xmau、kr、Xmin,s、Xmax,s、ks為 擬合參數(shù)，sr, Ss分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段、提餾段液相組分濃度分布的位置；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)刻操作變量值求取當(dāng)前的控制變量 的理想改變值，采用式(5)-(14)得到 其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱 速率，Xi+M (k)為k采樣時(shí)刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱 狀況，Pr (k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vjk)、V2(k)、 Vn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf^1 (k)、Llri (k)、Ln(k) 分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為 汽化潛熱，Υ*>Χ*分別為Υ、Χ的設(shè)定值，X1 GOjlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1 塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板 和塔底的汽相輕組分濃度，K1, K2, K3, K4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參 考軌跡，民(k) ,Sr(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的 位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位 置，Aq(k), APr(k)分別為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓 強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值；6)將當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理 想改變值A(chǔ)q(k)，APr(k)輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整內(nèi)部熱耦合精餾塔的進(jìn)料熱狀 況值和精餾段壓強(qiáng)值；進(jìn)一步，所述歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示內(nèi)部熱耦合精餾塔工作過程狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1.高純自適應(yīng)非線性控制方案建立在高精度非 線性模型基礎(chǔ)上，能夠及時(shí)抑制干擾作用；2.控制方案較好地處理了耦合問題，能夠快速 準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值變化。
圖1是本發(fā)明所提出的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖。圖2是上位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)方法的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明。實(shí)施例1參照圖1，圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng) 包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表2和DCS系統(tǒng)13，所述DCS系統(tǒng)13包括 存儲(chǔ)裝置4、控制站5和上位機(jī)6，所述現(xiàn)場智能儀表2與存儲(chǔ)裝置4、控制站5和上位機(jī)6 通過現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)接口 3依次相連；所述的智能儀表用以實(shí)現(xiàn)檢測模塊7的功能即檢測 得到內(nèi)部熱耦合精餾塔的溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，所述的數(shù)據(jù)接口用以實(shí)現(xiàn)I/O模塊8的功能即數(shù) 據(jù)的輸入輸出，所述的上位機(jī)包括用以計(jì)算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純自適 應(yīng)非線性控制器，所述高純度自適應(yīng)非線性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和自適應(yīng)高純控制律求解模塊11 ；組分推斷模塊9，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算內(nèi)部熱耦合精餾 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)庫當(dāng)中，采用式(1) (2)得 到 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)，η 為塔底編號(hào)，Xi(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精餾 段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，TiGO為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼(Antonie)常數(shù)。模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊10，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的在線更新，在線擬合模型函數(shù)如 下 X1 = Xmmsl=f/+l,……(4)其中友為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xfflin, r> Xmax, r> kr, Xmin, s、Xmax, s、ks為擬合參數(shù)，Sr, Ss分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提餾段液相組分濃度分布的位置；自適應(yīng)高純控制律求解模塊11，根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)，參考軌跡和當(dāng)前時(shí)刻操 作變量值求取當(dāng)前的控制變量的理想改變值，采用式(5) _(14)得到 其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速 率，Xi^GO為k采樣時(shí)刻第i+f-l塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱狀況， Pr(k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vjk)、V2(k)、Vn(k) 分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lf^1 (k)、Llri (k)、Ln(k)分別 為k采樣時(shí)刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化 潛熱，Υ*、Χ*分別為Υ、Χ的設(shè)定值，X1 (k) .Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1塊塔 板和塔底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔 底的汽相輕組分濃度，K1; K2，K3，K4為控制律參數(shù)，K1; K3 e [2,200], K2, K4 e
，根 據(jù)具體操作對象特性具體調(diào)節(jié)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參考軌跡，Sr (k)、Sr (i)分 別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss (k)、Ss(i)分別 為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Aq(k), APr(k)分 別為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值。所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊12，用于設(shè)定采樣周期t，控制律參數(shù)K1, K2,
“ a-ln{ps/[Xi+f_i(k)+(\-Xi+ /_ι(Λ))/α]})V1 (k) = F(l-q(k)-Aq(k) Xt)Ln (k) = F (q (k) + Δ q (k) X t)
f-\Q.{k)(k)= Σ -iT-
i = l 2Vf (k) = V1 (k)+Lm (k)
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K3, K4和塔頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值ΥΛΧη*，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2參照圖1和圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制方法，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，相對揮發(fā)度α，提餾段壓強(qiáng)Ps，安東尼(Antonie)常 數(shù)a、b、C、保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1, K2, K3, K4和塔頂塔底產(chǎn)品濃度設(shè)定值ΥΛ X:；3)從智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)&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，采用式(1) (2)得到 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)，η 為塔底編號(hào)，Xi(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時(shí)刻精溜 段壓強(qiáng)、Ps提餾段壓強(qiáng)，TiGO為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為 安東尼(Antonie)常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)如 下 其中，友為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，Xfflin,r>xfflax,r>krafflin,safflax,s>ks為 擬合參數(shù)，sr, Ss分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段，提餾段液相組分濃度分布的位置。5)控制律求解，采用式(5)_(14)得到 其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，Xi (k)、1 (k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔 板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(k)為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速 率，Xi^GO為k采樣時(shí)刻第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱狀況， Pr(k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，VjkhVjkhVjk)分 別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，k (k)、、(k)、U (k)、Ln(k)分別為 k采樣時(shí)刻塔頂、第f_l塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，A為汽化潛 熱，Y*、X*分別為Y、X的設(shè)定值，(k)、Xn_i (k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1塊塔板 和塔底的液相輕組分濃度，(k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底 的汽相輕組分濃度，k2，K3，K4為控制律參數(shù)，K3 g [2,200]，K2，K4 G
，根據(jù) 具體操作對象特性具體調(diào)節(jié)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參考軌跡，Sr(k)、Sr(i)分別 為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分別為 k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Aq(k)、APr(k)分別 為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值；6)將當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理 想改變值A(chǔ)q(k)，APr(k)輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整內(nèi)部熱耦合精餾塔的進(jìn)料熱狀 況值和精餾段壓強(qiáng)值。所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口、存儲(chǔ) 裝置和控制站，其中，控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示內(nèi)部熱耦合精餾塔工作過程狀態(tài)。上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，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(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(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)場智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)相連；其特征在于所述的上位機(jī)包括用以計(jì)算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純自適應(yīng)非線性控制器，所述高純自適應(yīng)非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現(xiàn)場智能儀表獲取溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算內(nèi)部熱耦合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)庫當(dāng)中，采用式(1)(2)得到 <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>α</mi><mo>×</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>-</mo><mi>a</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>α</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>f</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>s</mi></msub><mo>×</mo><mi>α</mi><mo>×</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>-</mo><mi>a</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>α</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>f</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>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(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，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)刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)；模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊，用以實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的在線更新，在線擬合模型函數(shù)如下 <mrow><msub> <mover><mi>X</mi><mo>^</mo> </mover> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>r</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>max</mi><mo>,</mo><mi>r</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>r</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msub> <mi>k</mi> <mi>r</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>S</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msup> 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</mrow>其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，Xi(k)、Yi(k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，Qi(k)為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率，Xi+f-1(k)為k采樣時(shí)刻第i+f-1塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱狀況，Pr(k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，V1(k)、V2(k)、Vn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，L1(k)、Lf-1(k)、Ln-1(k)、Ln(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第f-1塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化潛熱，Y*、X*分別為Y、X的設(shè)定值，X1(k)、Xn-1(k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1(k)、Y2(k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相輕組分濃度，K1，K2，K3，K4為控制律參數(shù)，Sr*，Ss*分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參考軌跡，Sr(k)、Sr(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位置，Δq(k)、ΔPr(k)分別為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值。FDA0000022884300000015.tif
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(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，控制律參數(shù)KnKyKyK4和塔 頂塔底液相輕組分濃度設(shè)定值ΥΛ 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。
3.一種用如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 的高純自適應(yīng)非線性控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步驟1)確定采樣周期t，并將t值，相對揮發(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)庫當(dāng)中；2)設(shè)定控制律參數(shù)K1,K2, K3, K4和塔頂塔底產(chǎn)品濃度設(shè)定值ΥΛ Xn* ；3)從現(xiàn)場智能儀表獲取k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)&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，采用式(1) (2)得到 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)，η為塔 底編號(hào)，Xi (k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的液相輕組分濃度，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)刻第i塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)；4)用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線校正模塊實(shí)現(xiàn)模型參 數(shù)，擬合模型函數(shù)如下 其中，為第i塊塔板處液相組分濃度預(yù)估濃度，xffli ,r>xfflax,r>krafflin,safflax,s>ks為擬合 參數(shù)，sr, Ss分別為內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段、提餾段液相組分濃度分布的位置；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)刻操作變量值求取當(dāng)前的控制變量的理 想改變值，采用式(5)-(14)得到 明酬-A⑷不⑷(明⑷ H(Xx(k)-X2(k)) 其中，k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t為采樣周期，Xi (k)、Yi (k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的 液相輕組分濃度和汽相輕組分濃度，QiGO為第i塊塔板之間的熱耦合量，UA為傳熱速率， Xi+M (k)為k采樣時(shí)刻第i+f-Ι塊塔板液相輕組分濃度，q(k)為k采樣時(shí)刻進(jìn)料熱狀況， Pr(k)為當(dāng)k采樣時(shí)刻精餾段壓強(qiáng)，F(xiàn)為進(jìn)料流率，Zf為進(jìn)料組分濃度，Vjk)、V2(k)、Vn(k) 分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板和塔底的汽相流率，L1 (k)、Lh (k)、Llri (k)、Ln(k)分別 為k采樣時(shí)刻塔頂、第f-Ι塊塔板、第n-1塊塔板和塔底的液相流率，H為持液量，λ為汽化潛熱，Y*、X*分別為Y、X的設(shè)定值，X1 (k)、Xlri (k)、Xn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第n-1 塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，Y1 (k)、Y2 (k)、Yn(k)分別為k采樣時(shí)刻塔頂、第2塊塔板 和塔底的汽相輕組分濃度，K1, K2, K3, K4為控制律參數(shù)，S；, S；分別為精餾段提餾段拐點(diǎn)參 考軌跡，民(k) ,Sr(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔精餾段液相組分濃度分布的 位置，Ss(k)、Ss(i)分別為k和i采樣時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔提餾段液相組分濃度分布的位 置，Aq(k), APr(k)分別為當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓 強(qiáng)的當(dāng)前理想改變值；6)將當(dāng)前時(shí)刻內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量即進(jìn)料熱狀況和精餾段壓強(qiáng)的當(dāng)前理想改 變值A(chǔ)q(k)，APr(k)輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整內(nèi)部熱耦合精餾塔的進(jìn)料熱狀況值 和精餾段壓強(qiáng)值。
4.如權(quán)利要求3所述的高純自適應(yīng)非線性控制方法，其特征在于所述歷史數(shù)據(jù)庫為 DCS系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示內(nèi)部熱耦合精餾塔工作過程狀態(tài)。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制系統(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)場智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)相連，所述的上位機(jī)包括用以計(jì)算輸出內(nèi)部熱耦合精餾塔控制變量值的高純自適應(yīng)非線性控制器，所述高純自適應(yīng)非線性控制器包括組分推斷模塊、模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊和自適應(yīng)高純控制律求解模塊。本發(fā)明也提供了一種內(nèi)部熱耦合精餾塔的高純自適應(yīng)非線性控制方法。本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)及方法能夠很好地處理高純內(nèi)部熱耦合精餾塔的強(qiáng)非線性特征，具有高效的在線運(yùn)算速度，并具有非常好的伺服跟蹤控制效果，干擾抑制效果。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101881964SQ20101021375
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, 周葉翔 申請人:浙江大學(xué)