專利名稱：管道輸送的氣體分配系統(tǒng)的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制氣體分配系統(tǒng)的方法，系統(tǒng)包括一個或多個由空氣分離設(shè)備供應氣態(tài)氧和/或氮的管道部分，特別是，本發(fā)明涉及這樣一種方法，其中由模型預測控制器響應管道壓力和消費者需求來控制空氣分離設(shè)備供應氣態(tài)氧和/或氮。
背景技術(shù)：
氣體分配系統(tǒng)包括空氣分離設(shè)備，它通過眾所周知的技術(shù)低溫蒸餾空氣生產(chǎn)氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品。這些產(chǎn)品由包括一個或多個部分的管道供應給消費者。這種氣體分配系統(tǒng)由供應者手動控制來保證每一部分的管道在消費者約定要求的某一個最小壓力之上。管道部分內(nèi)的壓力與管道部分中的氣體產(chǎn)品的流量相關(guān)。從管道部分抽吸產(chǎn)品的每一個消費者與供應者約定從管道中抽吸產(chǎn)品的規(guī)定最大流量。這些消費者的約定要求用于設(shè)定管道壓力。
空氣分離設(shè)備可以被放置于一個地理位置或多個位置?？赡苡卸鄠€消費者從每一個管道部分抽吸產(chǎn)品。由管理控制系統(tǒng)控制單個設(shè)備，其中，通過設(shè)定生產(chǎn)請求變化而反過來控制設(shè)備生產(chǎn)。由監(jiān)控一些關(guān)鍵管道壓力和消費者需求的管道操作員控制管道。如果個別管道部分的壓力開始達到高或低極限時，操作員通知單個設(shè)備并請求生產(chǎn)中的變化。設(shè)備操作員輸入新的生產(chǎn)要求水平到設(shè)備管理控制系統(tǒng)，生產(chǎn)被調(diào)整到所請求的水平。
當多個空氣分離設(shè)備需要控制時，難以對哪個設(shè)備會提供下一個空氣增量做出最佳的經(jīng)濟決策。通常，決策是對壓力需要改變的點最近的設(shè)備行使適當?shù)目刂?。這個問題由于以下因素被進一步復雜化空氣分離設(shè)備耗電，并且存在電力供應約定限制設(shè)備可以汲取的最大電能，因此限制設(shè)備可以生產(chǎn)的產(chǎn)量，此外，即使沒有電力供應約定，由于設(shè)備規(guī)模不同，其供應產(chǎn)品的能力是不同的。
典型地，管道操作員要控制管道部分壓力基本高于最小壓力。這樣，由于空氣分離設(shè)備以高于必需的壓力供應給管道，這自然增加了操作管道系統(tǒng)的全部費用。
作為后備，如果管道壓力降低到低于最小壓力，儲備的液態(tài)氧氣被汽化并引入管道中。然而，由于液態(tài)氧與氣態(tài)氧相比是一種生產(chǎn)起來更貴的產(chǎn)品，保留儲存液態(tài)氧是一個昂貴的建議。
已經(jīng)進行了單個管道由模型預測控制技術(shù)自動控制的模擬研究。這些研究的例子見Zhu等，“Dynamic Modeling and Model PredictiveControl of Gas Pipeline Networks”，由Zhu等在1999年11月提交于American Institute of Chemical Engineering Annual Meeting，Dallas，Texas，和Zhu等，“Dynamic Modeling and Linear Model PredictiveControl of Gas Pipeline Networks”，Journal of process control，2000年4月。在這兩個參考文獻中，響應管道和空氣分離設(shè)備生產(chǎn)的預儲存模型被用來確定開環(huán)響應和閉環(huán)控制動作，從而保持壓力在目標值。
自動控制已經(jīng)被應用于控制位于管道內(nèi)的多個產(chǎn)品壓縮機站，如Seiver等，“A Pyramid Approach to Advanced Control”，ControlMagazine，2000年7月中出現(xiàn)的。模型預測控制已經(jīng)被用于防止下水道系統(tǒng)的溢流，如Gelormino等，“Model-predictive Control of a CombinedSewer System”，International Journal of Control，59卷，1994所公開的。
將要討論的內(nèi)容是本發(fā)明通過一種技術(shù)來使用模型預測控制，這種技術(shù)允許氣體分配系統(tǒng)以最優(yōu)的經(jīng)濟方式被自動控制。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種氣體分配系統(tǒng)的控制方法，所述氣體分配系統(tǒng)包括至少一個管道部分和至少一個空氣分離設(shè)備。這里和權(quán)利要求書中所用的術(shù)語“管道部分”表示管道流程，其中沿其長度的壓力變化僅取決于摩擦力和流體損失。至少一個空氣分離設(shè)備由響應生產(chǎn)要求變化的管理控制系統(tǒng)控制，生產(chǎn)要求變化指導至少一種氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)率，這種產(chǎn)品被與至少一個管道部分連接的至少一個消費者消費。
依照該方法，在至少一個管道部分中的壓力被不斷監(jiān)測。壓力取決于至少一種氣體產(chǎn)品在至少一個管道部分中的實際流量。壓力被控制在一個范圍內(nèi)以保證至少一個消費者可以得到至少一個管道部分中的至少一種氣體產(chǎn)品的所要求流量?？刂瓢ūO(jiān)測和存儲壓力的壓力值和生產(chǎn)要求的生產(chǎn)要求值，該生產(chǎn)要求值與滾動歷史(rollinghistory)中每一個壓力值相關(guān)，并在模型預測控制器(MPC)中輸入壓力值作為被控制變量，輸入生產(chǎn)要求值作為操縱變量。在模型預測控制器中，至少一個管道部分中壓力的開環(huán)的響應被計算超過預測水平，同時要求至少一個空氣分離設(shè)備的一組生產(chǎn)要求變化，作為一組操縱變量，至少部分地恢復壓力到開環(huán)響應的壓力范圍內(nèi)的目標值。
計算目標值、開環(huán)響應和一組生產(chǎn)要求變化是基于至少一個管道部分壓力的至少一個經(jīng)驗確定分級響應模型，其響應至少一個空氣分離設(shè)備的要求值中的單位生產(chǎn)變化。將來的生產(chǎn)要求變化組被優(yōu)化以同時最小化每一個生產(chǎn)要求變化和壓力與超過預測水平目標值之間的偏差。生產(chǎn)要求變化被輸入到單個空氣分離設(shè)備的管理控制系統(tǒng)，來控制至少一個空氣分離設(shè)備生產(chǎn)至少一種依據(jù)生產(chǎn)變化要求的產(chǎn)品。
由本發(fā)明的上面描述可以看出，不同于現(xiàn)有技術(shù)，模型預測控制通過使用經(jīng)驗模型得到更多的實際應用，此外，不存在對空氣分離設(shè)備的直接控制。作為替代，空氣分離設(shè)備的控制保留在管理控制系統(tǒng)中。本發(fā)明的模型預測控制產(chǎn)生基于經(jīng)驗模型的生產(chǎn)要求變化，反過來允許空氣分離設(shè)備在既便有變化時，也是以很小的變化被集成到本發(fā)明的控制方案中。
優(yōu)選地，實施進一步的開環(huán)響應計算，以從剛發(fā)生在預測水平之前的先前壓力值確定預測水平開始時的計算壓力值。預測水平開始時監(jiān)測的實際壓力值和計算壓力值之間的差值被用于開環(huán)響應作為糾正系數(shù)。
以最小二乘計算為基礎(chǔ)可以優(yōu)化至少一個空氣分離設(shè)備的生產(chǎn)率未來變化的計算。
在滾動歷史中，被至少一個消費者消費的至少一種氣體產(chǎn)品的消費流量值也可以被測量并儲存。消費者流量值被輸入到所述的模型預測控制器作為前饋變量。至少一個管道部分壓力的開環(huán)響應基于至少一個壓力的經(jīng)驗確定分級響應模型，該壓力響應輸送給至少一個消費者的至少一種氣體產(chǎn)品的消費流量的單位變化。
應當指出，在瞬間變化時，如果壓力降低到低于預定范圍，至少一種(汽化液體)產(chǎn)品被加入到至少一個管道部分。如果壓力高于預定范圍，至少一種氣體產(chǎn)品可以從至少一個管道部分被排放。
所述至少一個管道部分可以包括至少第一和第二管道部分。可以有兩種氣體產(chǎn)品，包括分別供應給第一管道部分和第二管道部分的氧氣氣態(tài)產(chǎn)品和氮氣氣態(tài)產(chǎn)品，其中，氧氣和氮氣由同一個空氣分離設(shè)備供應。模型預測控制器響應至少第一管道部分中的壓力以確定生產(chǎn)要求變化組。模型預測控制器也可以響應第一和第二管道部分每個的壓力。在這種情況下，它確定與第一和第二管道部分相關(guān)的生產(chǎn)要求變化。至少一個空氣分離設(shè)備被控制，這樣與氧氣氣態(tài)產(chǎn)品相關(guān)的生產(chǎn)要求變化以所要求的程度代替氮氣氣態(tài)產(chǎn)品相關(guān)的生產(chǎn)要求變化，以維持壓力在第一管道部分的范圍內(nèi)。
可以有多個空氣分離設(shè)備，每一個可以供應與其限制相應的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品。模型預測控制器確定每個空氣分離設(shè)備與其限制相應的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品的量。模型預測控制器確定空氣分離設(shè)備的產(chǎn)品要求變化的組，該要求變化的組由依照氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品量的限制線性最優(yōu)化所優(yōu)化。這些限制可以包括費用、合同電能限制、設(shè)備容量或其綜合等。
附圖簡述雖然專利說明書推斷出的權(quán)利要求清楚地指出了申請人的發(fā)明主旨，相信聯(lián)系附圖可以更好地理解發(fā)明，其中

圖1是依據(jù)本發(fā)明的一種典型的被控制氣體分配系統(tǒng)；圖2是依據(jù)本發(fā)明的一個編入到管道控制器中的管道控制矩陣；圖3是圖2中標有“A”的分級響應模型的放大視圖；圖4是實施管道控制器的氣體分配系統(tǒng)控制的部分示意圖；圖5是對管道控制器實施氣體分配系統(tǒng)控制的其余部分示意圖。
發(fā)明詳述參考圖1，圖解了依據(jù)本發(fā)明被控制的一種氣體分配系統(tǒng)1。應當理解，圖解氣體分配系統(tǒng)1是為了示范的目的，依據(jù)本發(fā)明被控制的系統(tǒng)可能比圖解系統(tǒng)更復雜或簡單。
氣體分配系統(tǒng)1包括管道部分10和12，分別為消費者14和消費者16供應氣態(tài)氧和氣態(tài)氮。管道部分10和12由空氣分離設(shè)備(ASP1和ASP2)18和20供應氣態(tài)氧和氣態(tài)氮?？諝夥蛛x設(shè)備18和20由氧氣導管22和24及氮氣導管26和28連接到管道部分10和12。在這方面，供應的氧氣和氮氣純度取決于所使用的滿足消費者14和16需求的空氣分離設(shè)備類型。
空氣分離設(shè)備18和20通過眾所周知的低溫蒸餾技術(shù)從空氣中分離氧氣和氮氣。如本領(lǐng)域所熟知的，這種技術(shù)包括壓縮并冷卻空氣到或接近壓縮空氣的露點溫度，然后，在一個或多個蒸餾塔中蒸餾空氣生產(chǎn)氧氣和氮氣產(chǎn)品。向這個設(shè)備中的熱漏失和暖端熱交換損失通過加入致冷而控制，如所知的透平膨脹(turboexpansion)。
空氣分離設(shè)備18和20由分別編入到管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機30和32中的管理控制系統(tǒng)控制。管理控制系統(tǒng)通過空氣分離設(shè)備18和20響應作為輸入的生產(chǎn)要求而實現(xiàn)對氣態(tài)氧和氣態(tài)氮生產(chǎn)的自動控制。在這樣的控制系統(tǒng)中使用多種控制方案，控制系統(tǒng)通過對如空氣壓縮機和透平膨脹機進口葉片的這些設(shè)備機械的電子、數(shù)字控制而起作用。特殊的控制方案不是本發(fā)明的部分，并且沒有特殊控制方案是優(yōu)選的。然而，應當指出，控制的復雜程度取決于控制的空氣分離設(shè)備類型。例如，單塔氮氣發(fā)生器可能有比生產(chǎn)氧氣、氮氣和氬產(chǎn)品的一個三塔設(shè)備更簡單的控制系統(tǒng)。在任何情況下，兩種設(shè)備均適用于本發(fā)明，因為本發(fā)明傾向單個管道部分和生產(chǎn)一種氣體產(chǎn)品的單個設(shè)備。另外，很重要地，應當注意，任何管理控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)要求的變化不能馬上改變生產(chǎn)率，因為設(shè)備生產(chǎn)不可能被馬上調(diào)高或降低，設(shè)備生產(chǎn)只有經(jīng)過一段時間才能被調(diào)整。
由管道控制器34控制氣態(tài)氧和氣態(tài)氮的生產(chǎn)，管道控制器34可以是個人電腦，它不是直接控制空氣分離設(shè)備18和20，而是提供生產(chǎn)要求并輸入到管理控制系統(tǒng)中，管理控制系統(tǒng)程序裝在管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機(SCDAC)30和32中。關(guān)于這方面，管道控制器34通過以各種熟知的模擬或數(shù)字方式輸入生產(chǎn)要求與管理控制系統(tǒng)相連。
下文中要更詳細討論的是，管道控制器34基于模型預測控制至少作為被控制變量的管道壓力和作為操縱變量的氣態(tài)氧和/或氣態(tài)氮生產(chǎn)率而起作用。優(yōu)選地，消費者汲取的氣體產(chǎn)品的流量也被用作前饋變量。合適的操作程序是DMC+，可以從Aspentech，10 Canal Park，Cambridge，Massachusetts 02141處獲得。
管道壓力由壓力傳感器36和38監(jiān)測，并作為輸入信號導入到數(shù)據(jù)收集計算機40中。另外，空氣分離設(shè)備18和20的當前生產(chǎn)要求由管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機30和32收集，并作為輸入信號也被導入到數(shù)據(jù)收集計算機40中。到消費者14的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮流量由流量計44和46監(jiān)測，并輸入到數(shù)據(jù)收集計算機40中。關(guān)于這方面，每一個流量計可以包含在帶有溫度傳感器的銳孔板對邊上的壓力傳感器以糾正非標準溫度。類似地，流量計48和50可以用來將氣態(tài)氧和氣態(tài)氮流量輸入到數(shù)據(jù)收集計算機40中。所有這些值以周期循環(huán)時間，如5分鐘，輪流被輸入到保留在管道控制器34中的滾動歷史中作為更新值。上述的壓力、流量等值作為管道控制器34中的模型預測控制程序的輸入來確定生產(chǎn)要求，從而維持管道部分10和12中的管道壓力在允許范圍內(nèi)。關(guān)于這一點，管道控制器34產(chǎn)生與生產(chǎn)要求相應的信號，并將信號輸入到管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機30和32中。
存儲在管道控制器34中的為經(jīng)驗確定分級響應模型，以熟知的方式被用來尋找管道部分10和12的開環(huán)壓力響應。這些模型被輸入到模型預測控制程序中作為數(shù)據(jù)點。開環(huán)響應是在沒有采取進一步的控制行動時會發(fā)生的響應。參考圖2，圖解了管道控制矩陣，它包括用于管道控制器34中的模型預測控制程序中的模型。矩陣的每一個獨立單位表示在一個固定時間周期內(nèi)，一個指定的被控制變量對操縱變量分級變化的開環(huán)響應。對于每一個模型選擇的時間由使用者選擇，并與系統(tǒng)的動態(tài)響應特性相關(guān)。選擇的時間設(shè)置了模型預測控制器計算的未來預定長度。在氣體分配系統(tǒng)1中，時間可以設(shè)置為4個小時。換句話說，當模型預測控制程序計算一個預測值時，它把被控制量響應的4小時計算入未來中。這個時間周期被稱作預測水平。
在圖2中，被控制量沿頂部被顯示，而操縱變量在一側(cè)自上向下被顯示?？崭癖硎静倏v變量和被控制變量之間沒有顯著關(guān)系。利用單個的開環(huán)模型，控制器可以預定合適的操縱變量變化來保持被控制量在期望操作范圍內(nèi)。
標有“A”的矩陣單位表示了1號被控制變量，作為操縱變量函數(shù)的管道部分10內(nèi)氣態(tài)氧壓力的響應，操縱變量為被記錄在管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機30中的空氣分離設(shè)備18的氣態(tài)氧生產(chǎn)要求。標有“A”的矩陣單位表示被控制變量，作為在開環(huán)中操縱變量單位分級增加的函數(shù)的管道部分10內(nèi)氣態(tài)氧壓力的響應，操縱變量為在4小時的時間段內(nèi)的空氣分離設(shè)備18的氣態(tài)氧生產(chǎn)要求。特殊響應是一個綜合或非穩(wěn)定狀態(tài)關(guān)系，這對于記錄變量如管道壓力是常見的。很重要地，應當注意，這個曲線實際上是兩種現(xiàn)象的總和，即空氣分離設(shè)備18的實際生產(chǎn)流量響應要求變化和管道部分18內(nèi)的管道壓力響應管道流量變化。
不同于已有技術(shù)，確定特定模型的方法為通過在氣體分配系統(tǒng)1自身中的試驗，記錄響應生產(chǎn)要求變化的壓力，然后通過數(shù)據(jù)回歸形成模型。例如，空氣分離設(shè)備18和20生產(chǎn)的單位增加模型通過變化每一個空氣分離設(shè)備18和20的生產(chǎn)，并記錄由壓力傳感器36和38監(jiān)測的管道壓力而產(chǎn)生。
控制器34內(nèi)的模型預測控制程序利用單個模型的累積效應來預測給定的被控制變量的未來變化。例如，如果空氣分離設(shè)備18和空氣分離設(shè)備20的氣態(tài)氧要求的兩個操縱變量發(fā)生變化，它們對于被控制參量都將有累積效應，控制參量為管道部分10內(nèi)的氣態(tài)氧壓力。在這里，開環(huán)響應基于空氣分離設(shè)備18和20的生產(chǎn)要求變化(如果有的話)以產(chǎn)生一個壓力預測值，這個壓力預測值在生產(chǎn)要求變化時記錄的壓力值的預測水平之上。標有“B”的矩陣單元表示相同的控制變量之間的關(guān)系，即管道10內(nèi)的氣態(tài)氧壓力和到消費者14的氣態(tài)氧流量單位增加的前饋變量。這個前饋變量被記錄作為流量計44的壓力測量結(jié)果。前饋變量被用于預測被控制變量的變化來作為這些被測量變量的函數(shù)，而這些變量不被控制系統(tǒng)操縱。消費者流量沒有被控制。然而，它們將影響管道壓力。例如，在消費者14的消費者位置的閥門打開，管道內(nèi)壓力將下降。這樣，標有“B”的矩陣單元表示如果不采取進一步措施，消費者14的流量增加將降低壓力。這也是對其它分級變化的響應操縱變量的累積，例如，空氣分離設(shè)備18的氣態(tài)氧要求的能量增加，被控制變量的能量也增加。顯然地，增加空氣分離設(shè)備18中氧的要求對空氣分離設(shè)備20的現(xiàn)場能量沒有影響。
參考圖3，詳細圖解了圖2中標有“A”的矩陣單元。為了使曲線圖簡單化，顯示的每個抽樣時間是20分鐘，而不是上面討論的5分鐘的取樣間隔。它表示了對于空氣分離設(shè)備18的1磅摩爾/小時增加的氣態(tài)氧生產(chǎn)要求，氣態(tài)氧管道壓力的開環(huán)響應?？刂破髦圃斓碾[性假設(shè)是圖中保持的如圖所示的關(guān)系，與操作點無關(guān)。另外，對應除了1磅摩爾/小時的變化的壓力變化數(shù)量級可以由與變化數(shù)量級的模型系數(shù)相乘來計算。這樣，控制器計算系數(shù)12，對應操縱變量的2磅/摩爾/小時增加為0.2磅/平方英寸，對應的1磅/摩爾/小時降低為-0.1磅/平方英寸。換句話說，控制器利用模型來計算對應當前操作點被控制變量的響應，而不是計算絕對項。最終系數(shù)12代表在預測水平末端的被控制變量值，所述預測水平就是前面敘述的4小時。
管道控制器的重要特征在于其僅利用圖2所示的矩形中的一個子集的能力。例如，如果空氣分離設(shè)備1不運行，那么所有的與之相關(guān)聯(lián)的獨立矩陣模型必須從控制器計算中除去。然后保留的設(shè)備將被用于控制。雖然圖2僅顯示了矩陣中的2個設(shè)備，同樣的方案可以被延伸到多至10個空氣分離設(shè)備的系統(tǒng)。通過操作每一個變量簡單的開/關(guān)標記，操縱變量可以從控制器計算中被加入到或移出。關(guān)于這方面，本發(fā)明涵蓋了僅有一個空氣分離設(shè)備被控制以生產(chǎn)在單個管道中的一種氣體產(chǎn)品的情況?？刂七@樣的情況是基礎(chǔ)，即僅基于設(shè)備生產(chǎn)的被控制變量單位增加模型或更先進一些，考慮前饋變量，如消費者流量。
參考圖4和圖5，圖解了實施管道控制器34中的模型預測控制程序的詳細示意圖。關(guān)于這方面，模型預測控制程序優(yōu)先選擇每5分鐘實施，與滾動歷史的取樣時間一致。應當注意，實際的實施時間可以在大約1分鐘到大約5分鐘范圍內(nèi)變化。如圖3所示的，滾動歷史隨以下因素而更新與氣態(tài)分離設(shè)備18和20相關(guān)的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮生產(chǎn)要求、壓力感應器36和38監(jiān)測的管道部分壓力當前值、和用于消費者14的流量計44、46及用于消費者16的流量計48、50監(jiān)測的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮消費者流量當前值。
應當注意，有必要更新當前生產(chǎn)要求作為管道控制器34計算的生產(chǎn)要求變化被增加或減去的基礎(chǔ)。然而，輕微改變方案是可行的，其中，控制器34僅計算應用于管理控制和數(shù)據(jù)采集計算機30和32的生產(chǎn)要求變化，30和32中編有程序以接收這種變化并把它應用于當前生產(chǎn)要求。因此，這里和權(quán)利要求中的“生產(chǎn)要求變化”一詞既表示從當前生產(chǎn)要求加上或減去的基于單位的生產(chǎn)要求變化，又表示從當前生產(chǎn)要求加上或減去的基于單位的生產(chǎn)要求變化總量。
第一步，利用先于當前預測開始而記錄的管道部分10和12內(nèi)的壓力，每一個管道部分10和12的開環(huán)響應被圖2所示的模型確定，參考圖4中的“MPC模型”。這樣計算確定的壓力與當前預測水平開始時的實際監(jiān)測壓力相比，它們的差值作為管道部分10和12的開環(huán)響應計算在當前預測水平之上的糾正系數(shù)。
參考圖5，預編入程序的管道控制器34允許每個管道部分10和12的壓力變化。管道控制器34嘗試設(shè)置空氣分離設(shè)備18和20生產(chǎn)中的變化，以保持管道壓力在范圍內(nèi)的目標值。關(guān)于這方面，設(shè)備生產(chǎn)單位增加的壓力的經(jīng)驗確定分級響應模型被用于確定目標值。這個目標值可以是一個特定管道部分壓力范圍內(nèi)的最小壓力，但不都是這樣。例如，如果響應消費者降低特定產(chǎn)品流量導致的管道壓力升高，空氣分離設(shè)備被關(guān)小以降低生產(chǎn)，空氣分離設(shè)備也許不能充分降低壓力超過預測水平以達到范圍內(nèi)最小壓力。
一旦期望的目標值被確定，下一步是確定未來控制作用總和在每個控制器實施時計算的控制水平?？刂扑皆胶喍?，控制器越復雜。利用先前確定的預測水平，在每個控制實施時，管道控制器實施以下程序。如前面所表述的，如果沒有實施未來控制動作，控制器預測被控制變量即壓力的未來響應超過預測水平。這被定義為開環(huán)響應。閉合循環(huán)預測是開環(huán)響應和被未來控制動作驅(qū)動的響應的總和?？刂茊栴}變成了尋找操縱變量變化組，它最小化閉合循環(huán)預測和目標值之間的差值。也就是最小化操縱變量每次變化之間的差值，即生產(chǎn)率要求和生產(chǎn)率要求與目標值的偏差。這通過最小二乘或其它優(yōu)化方法來優(yōu)化完成。從而一組生產(chǎn)率要求變化產(chǎn)生了，并且第一組這樣的生產(chǎn)率要求變化被輸入到管理控制和數(shù)據(jù)采集程序30和32中。因為模型預測控制程序不斷實施，如果壓力變化被監(jiān)測到趨向目標壓力，下一組生產(chǎn)率要求變化的接下來的第一生產(chǎn)率要求將少于除此以外所要求的要求。以這種方式，迅速達到目標壓力。此外，如果存在由于未來消費者作用的壓力變化，在未來的實施程序中，這樣的作用將被考慮。
通過向管道內(nèi)加入額外量的氣態(tài)產(chǎn)品處理壓力降低到低于范圍值的瞬間現(xiàn)象，這以熟知的方式在設(shè)備52和54中存儲液體產(chǎn)品來解決。此外，為了安全，如果壓力超出范圍值，氣態(tài)產(chǎn)品可以從管道部分由與空氣分離設(shè)備18和20相連的壓力減壓閥門排出。
可以以各種方式限制模型預測控制系統(tǒng)。因為空氣中的氮氣是氧氣的4倍，氧氣成為了更有價值的產(chǎn)品。所以，模型預測控制器可以做成僅響應管道部分10內(nèi)的壓力變化，管道部分10供應氧氣。過量的氮氣被排放掉。
優(yōu)選地，模型預測控制器可以做成響應每個管道部分10和12內(nèi)的壓力，以確定與監(jiān)測的管道部分10和12內(nèi)的壓力相關(guān)的一組生產(chǎn)要求未來變化。空氣分離設(shè)備18和20由管道控制器控制，這樣與氣態(tài)氧生產(chǎn)相關(guān)的未來操縱變量將以一定程度取代與氣態(tài)氮生產(chǎn)相關(guān)的操縱變量，來維持壓力在氣態(tài)氧要求的范圍內(nèi)。
各種限制可以被用于空氣分離設(shè)備18和20。例如，這樣的限制可能包括成本例如，空氣分離設(shè)備18可以有比空氣分離設(shè)備20便宜的能量約定。此外，還存在一個簽訂的能量限制，如果超過限制將被處以罰款。每個空氣分離設(shè)備18和20的設(shè)備容量也是一個潛在限制。換句話說，可以設(shè)計空氣分離設(shè)備18僅生產(chǎn)一個管道部分的部分潛在的氧需求，而設(shè)計空氣分離設(shè)備20來生產(chǎn)其余的量。在這種情況下，模型預測控制器被編程以確定每個空氣分離設(shè)備依據(jù)限制可以供應的氣態(tài)氧和氮產(chǎn)品量。模型預測控制器確定了空氣分離設(shè)備的多組未來操縱變量，操縱變量由依據(jù)氣態(tài)氮和氧產(chǎn)品量的限制線性優(yōu)化來優(yōu)化。
再次參考圖2所示的矩陣，圖解了能量限制。這被編入上述的模型預測控制系統(tǒng)作為被控制變量。其它與費用、容量等相關(guān)的限制也將同樣被編入。
雖然本發(fā)明參考優(yōu)選實施例進行描述，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可能出現(xiàn)的許多變化、添加和省略都將落入本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種控制氣體分配系統(tǒng)的方法，其具有由管理控制系統(tǒng)所控制的至少一個管道部分和至少一個空氣分離設(shè)備，所述管理控制系統(tǒng)響應生產(chǎn)要求來指導至少一種氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)率，這種氣體產(chǎn)品被與至少一個管道部分連接的至少一個消費者消費，所述的方法包括連續(xù)監(jiān)測至少一個管道部分內(nèi)的壓力；所述壓力取決于至少一個管道部分內(nèi)的至少一種氣體產(chǎn)品的實際流量；控制壓力在確保至少一個消費者可以連續(xù)得到來自至少一個管道部分的至少一種氣體產(chǎn)品的要求流量的范圍內(nèi)；把與每個壓力值相關(guān)的壓力的壓力值和生產(chǎn)要求的生產(chǎn)要求值存儲到滾動歷史中；把所述的壓力值和生產(chǎn)要求值分別作為被控制變量和操縱變量輸入到模型預測控制器中；模型預測控制器內(nèi)，在預測水平之上，計算至少一個管道部分內(nèi)的壓力開環(huán)響應，要求至少一個空氣分離設(shè)備的一組生產(chǎn)要求變化至少從所述開環(huán)響應部分地恢復壓力到所述壓力范圍內(nèi)的目標值；目標值、開環(huán)響應和一組生產(chǎn)要求變化的計算是基于至少一個管道壓力的至少一個經(jīng)驗確定的分級響應模型，該壓力響應至少一個空氣分離設(shè)備的要求值中的單位生產(chǎn)變化。將來的生產(chǎn)要求變化的組被優(yōu)化以同時最小化每一個未來變化和壓力在預測水平之上目標值的偏差；輸入第一組所述的生產(chǎn)要求變化到所述的管理控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括實施進一步的開環(huán)響應計算以從剛發(fā)生在預測水平之前的在前的壓力值確定預測水平開始的壓力值，預測水平開始時監(jiān)測的實際壓力值和計算壓力值之間的差值被用于開環(huán)響應作為糾正系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，至少一個空氣分離設(shè)備生產(chǎn)率未來變化的計算基于最小二乘誤差計算來優(yōu)化。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，被至少一個消費者消費的至少一種氣體產(chǎn)品的消費流量值也被監(jiān)測并存儲到所述的滾動歷史中；所述的消費流量值被輸入到所述的模型預測控制器中作為前饋變量；至少一個管道部分壓力的開環(huán)響應也是基于至少一個管道部分壓力的經(jīng)驗確定分級響應模型，該壓力響應至少輸送給一個消費者的至少一種氣體產(chǎn)品的單位消費者流量變化。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，至少一個管道部分包括至少第一和第二管道部分；有兩種所述的氣體產(chǎn)品，包括分別供給第一和第二管道部分的氧氣氣態(tài)產(chǎn)品和氮氣氣態(tài)產(chǎn)品；模型預測控制器響應至少第一管道部分內(nèi)的壓力以確定生產(chǎn)要求變化。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中模型預測控制器響應第一和第二管道部分每個的壓力并確定與第一和第二管道部分相關(guān)的生產(chǎn)要求變化的組；至少一個空氣分離設(shè)備被控制，這樣與氧氣氣態(tài)產(chǎn)品相關(guān)的生產(chǎn)要求變化以所要求的程度代替氮氣氣態(tài)產(chǎn)品相關(guān)的生產(chǎn)要求變化，以維持壓力在第一管道部分的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，有多個所述的空氣分離設(shè)備，每一個可以供應所述的依據(jù)限制的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品；模型預測控制器確定每個空氣分離設(shè)備依據(jù)限制可供應的氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品的量；模型預測控制器確定空氣分離設(shè)備的產(chǎn)品要求變化的組，該要求變化的組由依照氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品量的限制線性最優(yōu)化所優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的限制包括費用、約定電能限制、設(shè)備容量或其結(jié)合。
全文摘要
一種控制氣體分配系統(tǒng)(1)的方法，其中，一個或多個空氣分離設(shè)備(18，20)供應氣態(tài)氧和氣態(tài)氮產(chǎn)品到管道部分(10，12)?？諝夥蛛x設(shè)備(18，20)由管理控制系統(tǒng)(30，32)控制來指導要被連接到管道部分(10，12)的消費者(14，16)消費的氣態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)率?？諝夥峙湎到y(tǒng)(1)由模型預測控制系統(tǒng)(34)控制，其中，經(jīng)驗確定的開環(huán)響應模型被用于產(chǎn)生由消費者要求變化導致的管道部分(10，12)的開環(huán)響應。由模型預測控制技術(shù)產(chǎn)生管理控制系統(tǒng)(30，32)的生產(chǎn)率要求中的優(yōu)化閉環(huán)響應。
文檔編號G05D16/20GK1647000SQ03807666
公開日2005年7月27日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月30日
發(fā)明者L·梅甘, D·F·倫諾克斯, P·F·沙夫, D·阿德貝昆, M·朱 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司