一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統及方法
2024-01-28 01:44:15 2
專利名稱：一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及精餾節能控制系統與方法設計問題，尤其提出了一種內部熱耦合精餾 塔的超高純非線性控制系統及方法。
背景技術：
精餾塔是化工過程的一個關鍵操作單元。長久以來，精餾塔因為高耗能，低能效的 問題成為國際精餾領域研究的焦點。目前針對精餾過程的能耗問題主要有兩方面的解決方 案一種設計新型結構，利用熱量耦合實現能量重複利用達到節能目的，一種設計高效精餾 過程控制策略，提高產品生產質量減少廢料從而達到節能目的。儘管有較多實驗研究證明 內部熱耦合精餾塔能夠顯著提高能源利用率，但是由於內部熱耦合精餾塔的精餾段與提餾 段之間存在極強的耦合性且該塔具有十分複雜的強非線性，該塔的控制策略設計顯得尤為 困難。傳統的PID，內膜控制方案等已經不能滿足要求，在超高純內部熱耦合精餾過程控 制當中，這些方案已經很難使過程穩定。而基於線性辨識模型的預測控制方案只能工作在 穩態工作點附近，稍微增大幹擾幅度，或者設定值階躍變化系統控制質量則出現明顯下降， 有效的超高純控制方案設計的需求十分迫切。
發明內容
為了克服現有的內部熱耦合精餾塔的控制系統的抑制幹擾能力差、控制效果差的 不足，本發明提供一種抑制幹擾能力良好、控制效果好的內部熱耦合精餾塔的超高純非線 性控制系統及方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔直接 連接的現場智能儀表和DCS系統，所述DCS系統包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現場 智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，所述的上位機包括用以計算輸出內部熱耦合 精餾塔控制變量值的超高純非線性控制器，所述超高純非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現場智能儀表獲取溫度，壓強數據，計算內部熱耦合精餾塔 各塊塔板的組分濃度，並將組分濃度計算結果存儲在歷史資料庫當中，採用式(1) (2)得 到
_8]
_9] 其中，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔底編號，Xi為第 i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α
1=1，2，·..，f-1 (14)
其中，XpXiJiMfXn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-Ι塊塔板和塔底的液相輕組 分濃度，為、舞分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，為、卑分別為第i塊塔板 的液相輕組分濃度的一次、二次導數，#n、舞分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次導
為相對揮發度，a、b、c為安東尼常數；參考軌跡計算模塊，用以實現塔頂汽相產品設定濃度 至液相濃度設定值的轉換，採用式(3)得到X 其中，ΥΛ X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；超高純非線性控制律求解模塊，用以根據當前組分濃度數據，參考軌跡和當前時 刻操作變量值求取當前的控制變量變化率，採用式(4)-(14)得到數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，密、瘦f+1為第i塊塔板之間、第η-f+l塊板塔之間的 熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi, Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf為 進料組分濃度，V1, Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1, Ln分別為塔頂和塔底的液相流率， 跨、每、良、存分別為塔頂、第i塊塔板、第η-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液量， Pvp, i為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1, Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，ΧΛ X:分別 為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，Κ12、Κη、Κ1(1、Κ22、Κ21、Κ2(1為控制律參數，q為進料熱 狀況，&為當精餾段壓強，q&、^分別為內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段 壓強的變化率。作為優選的一種方案所述的上位機還包括人機界面模塊，用於設定採樣周期，控 制律參數K12，K11, K10, K22，K21，K20和塔頂汽相產品濃度設定值ΥΛ塔底液相輕組分濃度設定 值χΛ並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。—種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制方法，所述的控制方法包括以下步 驟1)確定採樣周期，並將相對揮發度α，提餾段壓強Ps，安東尼常數a、b、c保存在 歷史資料庫當中；2)設定控制律參數K12，Kn，Kltl，K22，K21，K20和塔頂汽相產品濃度設定值Y1*,塔底液 相輕組分濃度設定值Xn*;3)從現場智能儀表獲取精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti,計算液 相輕組分濃度值，採用式(1) (2)得到
Ti+C J^xaxl0Ta-1 1=1,2,……fl(1)
a-l
Tj+c
_2] l=f/+h……,n (2) a-l其中，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔底編號，Xi為第 i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α 為相對揮發度，a、b、c為安東尼常數；4)用歷史資料庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數據，在線計算拐點參考軌跡 如式⑶X1* = Y1Vta-(Q-I)Y1*(3)其中ΥΛ X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；5)根據當前組分濃度數據，模型函數和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量 的理想改變值，採用式(4)_(14)得到 其中，XpXiJiMfXn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-Ι塊塔板和塔底的液相輕組 分濃度，為、舞分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，為、卑分別為第i塊塔板 的液相輕組分濃度的一次、二次導數，#n、舞分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次導 數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，密、瘦f+1為第i塊塔板之間、第η-f+l塊板塔之間的 熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi, Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf為 進料組分濃度，V1, Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1, Ln分別為塔頂和塔底的液相流率， 跨、每、良、存分別為塔頂、第i塊塔板、第η-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液量， Pvp, i為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1, Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，ΧΛ X:分別 為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，Κ12、Κη、Κ1(1、Κ22、Κ21、Κ2(1為控制律參數，q為進料熱 狀況，&為當精餾段壓強，、終分別為內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段 壓強的變化率；6)將當前時刻內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的理想變 化速率輸送給DCS系統中的控制站，調整內部熱耦合精餾塔的進料熱狀況值和精餾段壓強值。
Λ7 2 ) 1 3 ( 1
Λ7 6
7
8
Λ7
9
Λ7
0
1
1 1
Jf= F(1
f
Il
#1
疼=
F冬
逸—/+1
A
8
進一步，所述的歷史資料庫為DCS系統的存儲裝置，控制站讀取歷史資料庫，顯示 內部熱耦合精餾塔工作過程狀態。本發明的有益效果主要表現在1.超高純非線性控制方案建立在高精度非線性 模型基礎上，能夠及時抑制幹擾作用；2.較好地處理了耦合問題，能夠快速準確地跟蹤設 定值變化。
圖1是本發明所提出的內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統的結構圖。圖2是上位機控制器實現方法的原理圖。
具體實施例方式下面根據附圖具體說明本發明。實施例1參照圖1和圖2，一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統，控制系統包括 與內部熱耦合精餾塔直接連接的現場智能儀表2和DSC系統13，所述DCS系統13包括存儲 裝置4，控制站5和上位機6，其中，現場智能儀表2與存儲裝置4、控制站5和上位機6通過 現場總線和數據接口 3依次相連；所述的智能儀表用以實現檢測模塊7的功能即檢測得到 內部熱耦合精餾塔的溫度、壓強數據，所述的數據接口用以實現I/O模塊8的功能即數據的 輸入輸出；所述的上位機包括用於計算輸出內部熱耦合精餾塔控制變量值的超高純非線性 控制器，所述超高純非線性控制器包括組分推斷模塊9，參考軌跡計算模塊10，超高純非線 性控制律求解模塊11。所述的組分推斷模塊9，上位機從智能儀表獲取溫度，壓強數據，計算內部熱耦合 精餾塔各塊塔板的組分濃度，並將組分濃度計算結果存儲在歷史資料庫當中，採用式(1) ⑵得到
Tj+c
_9] W10Ta-1 I=IX……/-7(1)
a-l
Tj+c W10Ta-1 i=f/+l,……,η(2)
a-l其中下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔底編號，Xi為第 i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α 為相對揮發度，a、b、c為安東尼(Antonie)常數。所述的參考軌跡計算模塊10實現塔頂汽相產品設定濃度至液相濃度設定值的轉 換，採用式(3)得到X1* = Y1Vta-(Q-I)Y1*] (3)其中ΥΛ X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；所述的內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制律求解模塊11根據當前組分濃度 數據，參考軌跡和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量變化率，採用式(4)_(14)得到
其中，XpXiJiMfXn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-Ι塊塔板和塔底的液相輕組 分濃度，為、舞分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，為、卑分別為第i塊塔板 的液相輕組分濃度的一次、二次導數，#n、舞分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次導 數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，密、U第i塊塔板之間、第η-f+l塊板塔之間的 熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi, Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf為 進料組分濃度，V1, Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1, Ln分別為塔頂和塔底的液相流率， 跨、每、良、存分別為塔頂、第i塊塔板、第η-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液量， Pvp, i為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1, Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，ΧΛ X:分別 為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，K12、K11、K1(l、K22、K21、K2tl為控制律參數，根據具體操
作對象特性具體調節，q為進料熱狀況，Pr為當精餾段壓強，q&、^分別為內部熱耦合精餾塔 控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的變化率。所述的上位機包括人機界面模塊12，用於設定採樣周期，控制律參數K12，K11, K10, K22，K21，K2tl和塔頂汽相產品濃度設定值ΥΛ塔底液相輕組分濃度設定值X:，並顯示控制器 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。實施例2參照圖1和圖2，一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制方法，所述的控制方 法包括以下步驟1)確定採樣周期，並將相對揮發度α，提餾段壓強Ps，安東尼(Antonie)常數a、 b、c、保存在歷史資料庫當中；2)設定控制律參數K12，Kn，Kltl，K22，K21，K20和塔頂汽相產品濃度設定值Y1*,塔底液 相輕組分濃度設定值Xn*;3)從智能儀表獲取精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti,計算液相輕 組分濃度值，採用式(1) (2)得到
Tj+c
_4] W10Ta-1 I=IX……/-7(1)
a-l
Tj+c
_5] W10Ta-1 i=f/+l,……,η(2)
a-l其中，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔底編號，Xi液相 輕組分濃度，Pr精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α為相對揮發度， a、b、c為安東尼(Antonie)常數；4)用歷史資料庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數據，在線計算拐點參考軌跡 如式⑶X1* = Y1Vta-(Q-I)Y1*(3)其中，ΥΛ X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；5)根據當前組分濃度數據，模型函數和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量 的理想改變值，採用式(4)-(14)得到
O5 O ) 4 ( 6 7
( Cc
11 其中，X1, \、Xi+f_i、Xn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-Ι塊塔板和塔底的液相輕 組分濃度，為、舞分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，為、考分別為第i塊塔 板的液相輕組分濃度的一次、二次導數，#n、舞分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次 導數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，密、瘦f+1為第i塊塔板之間、第η-f+l塊板塔之間 的熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi, Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf 為進料組分濃度，V1, Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1, Ln分別為塔頂和塔底的液相流 率，庫疼良、存分別為塔頂、第i塊塔板、第η-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液 量，Pvpii為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1, Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，ΧΛ Xn* 分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，K12, K11, K10, K22, K21, K20為控制律參數，K12， K22 e
，K11, K21 e
，K10, K20 e [1，100]，根據具體操作對象特性具體調 節，q為進料熱狀況，Pr為當精餾段壓強，、終分別為內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱 狀況和精餾段壓強的變化率；6)將當前時刻內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的理想變 化速率輸送給DCS系統中的控制站，調整內部熱耦合精餾塔的進料熱狀況值和精餾段壓強值。所述的歷史資料庫為DCS系統中的存儲裝置，所述的DCS系統包括數據接口，存儲 裝置，控制站，其中控制站可以讀取歷史資料庫，顯示內部熱耦合精餾塔工作過程狀態。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和 權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔直接連接的現場智能儀表和DCS系統，所述DCS系統包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，其特徵在於所述的上位機包括用以計算輸出內部熱耦合精餾塔控制變量值的超高純非線性控制器，所述超高純非線性控制器包括組分推斷模塊，用以從現場智能儀表獲取溫度，壓強數據，計算內部熱耦合精餾塔各塊塔板的組分濃度，並將組分濃度計算結果存儲在歷史資料庫當中，採用式(1)(2)得到 X i= P r 10 T i+c b-a -1 -1 i=1,2,,f-1--- ( 1 ) X i= P s 10 T i+c b-a -1 -1 i=f,f+1,,n--- ( 2 ) 其中，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，n為塔底編號，Xi為第i塊塔板的液相輕組分濃度，Pr精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α為相對揮發度，a、b、c為安東尼常數；參考軌跡計算模塊，用以實現塔頂汽相產品設定濃度至液相濃度設定值的轉換，採用式(3)得到X1*＝Y1*/[α-(α-1)Y1*] (3)其中，Y1*，X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；超高純非線性控制律求解模塊，用以根據當前組分濃度數據，參考軌跡和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量變化率，採用式(4)-(14)得到 Kq i= UAb (a-ln P vp,i ) 2 ( Xi + (1+ X i) / ) --- ( 13 ) 其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-1塊塔板和塔底的液相輕組分濃度，分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，分別為第i塊塔板的液相輕組分濃度的一次、二次導數，分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次導數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，為第i塊塔板之間、第n-f+1塊板塔之間的熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi、Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf為進料組分濃度，V1，Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1，Ln分別為塔頂和塔底的液相流率，分別為塔頂、第i塊塔板、第n-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液量，Pvp，i為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1，Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，X1*、Xn*分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20為控制律參數，q為進料熱狀況，Pr為當精餾段壓強，q&、分別為內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的變化率。FDA0000022884090000013.tif,FDA0000022884090000014.tif,FDA0000022884090000015.tif,FDA0000022884090000016.tif,FDA0000022884090000021.tif,FDA0000022884090000022.tif,FDA0000022884090000023.tif,FDA0000022884090000024.tif,FDA0000022884090000025.tif,FDA0000022884090000027.tif,FDA0000022884090000028.tif,FDA0000022884090000029.tif,FDA00000228840900000210.tif,FDA00000228840900000211.tif,FDA00000228840900000212.tif,FDA00000228840900000213.tif
2.如權利要求1所述的內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統，其特徵在於所 述的上位機還包括人機界面模塊，用於設定採樣周期，控制律參數K12，K11, K10, K22，K21，K20和 塔頂汽相產品濃度設定值ΥΛ塔底液相輕組分濃度設定值X:，並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 —種如權利要求1所述的內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統實現的超高 純非線性控制方法，其特徵在於所述的控制方法包括以下步驟1)確定採樣周期，並將相對揮發度α，提餾段壓強Ps，安東尼常數a、b、c保存在歷史 資料庫當中；2)設定控制律參數K12，K11,K10, K22，K21，K20和塔頂汽相產品濃度設定值ΥΛ塔底液相輕 組分濃度設定值Xn* ；3)從現場智能儀表獲取精餾段壓強&提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti,計算液相輕 組分濃度值，採用式(1) (2)得到 其中，下腳標i為塔板編號，1為塔頂編號，f為進料板編號，η為塔底編號，Xi為第i塊 塔板的液相輕組分濃度，&精餾段壓強、Ps為提餾段壓強，Ti為第i塊塔板的溫度，α為相 對揮發度，a、b、c為安東尼常數；4)用歷史資料庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數據，在線計算拐點參考軌跡如式⑶ 其中ΥΛ X1*分別為塔頂氣、液相產品濃度設定值；想改變值，米用式⑷_(14)得到 5)根據當前組分濃度數據，模型函數和當前時刻操作變量值求取當前的控制變量的理 其中，X1, Xi, Xi+f_i、Xn分別為塔頂、第i塊塔板、第i+f-ι塊塔板和塔底的液相輕組分 濃度，為、舞分別為塔頂的液相輕組分濃度的一次、二次導數，為、卑分別為第i塊塔板的 液相輕組分濃度的一次、二次導數，#n、舞分別為塔底的液相輕組分濃度的一次、二次導 數，Qi為第i塊塔板之間的熱耦合量，密、瘦f+1為第i塊塔板之間、第η-f+l塊板塔之間的 熱耦合量的導數，λ為汽化潛熱，Kqi, Bqi為中間變量，UA為傳熱速率，F為進料流率，Zf為 進料組分濃度，V1, Vn分別為塔頂和塔底的汽相流率，L1, Ln分別為塔頂和塔底的液相流率， 跨、每、良、存分別為塔頂、第i塊塔板、第η-1塊塔底的液相汽相流率導數，H為持液量， Pvp, i，為第i塊塔板的飽和蒸汽壓，X1, Xn分別為塔頂和塔底的液相輕組分濃度，ΧΛΧ；分別 為塔頂和塔底的液相輕組分濃度設定值，Κ12、Κη、Κ1(1、Κ22、Κ21、Κ2(1為控制律參數，q為進料熱 狀況，&為當精餾段壓強，、終分別為內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段 壓強的變化率；6)將當前時刻內部熱耦合精餾塔控制變量即進料熱狀況和精餾段壓強的理想變化速 率輸送給DCS系統中的控制站，調整內部熱耦合精餾塔的進料熱狀況值和精餾段壓強值。
4.如權利要求3所述的超高純非線性控制方法，其特徵在於所述的歷史資料庫為DCS 系統的存儲裝置，控制站讀取歷史資料庫，顯示內部熱耦合精餾塔工作過程狀態。
全文摘要
一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制系統，包括與內部熱耦合精餾塔直接連接的現場智能儀表和DCS系統，所述DCS系統包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機相連，所述的上位機包括用以計算輸出內部熱耦合精餾塔控制變量值的超高純非線性控制器，所述超高純非線性控制器包括組分推斷模塊，參考軌跡計算模塊，超高純非線性控制律求解模塊。本發明也提供了一種內部熱耦合精餾塔的超高純非線性控制方法。本發明提供的控制系統及方法能夠很好地處理超高純內部熱耦合精餾的強非線性特徵，具有高效的在線運算速度，並具有非常好的伺服跟蹤控制效果和幹擾抑制效果。
文檔編號G05B19/418GK101881962SQ20101021362
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者劉興高, 周葉翔 申請人:浙江大學