專利名稱：一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及精餾節(jié)能控制領域，尤其提出了一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)及方法。

背景技術：
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關鍵單元。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(xiàn)能量重復利用達到節(jié)能目的，一種設計高效精餾過程控制策略，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量減少廢料從而達到節(jié)能目的。盡管有較多實驗研究證明內(nèi)部熱耦合精餾過程具有極大的節(jié)能潛力，但是由于內(nèi)部熱耦合精餾過程中的精餾段與提餾段之間存在極強的耦合性且該過程具有十分復雜的強非線性，導致內(nèi)部熱耦合精餾過程的控制策略設計顯得尤為困難。
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)部熱耦合精餾過程控制當中，這些方案已經(jīng)很難使精餾過程穩(wěn)定。而基于線性辨識模型的預測控制方案只能工作在穩(wěn)態(tài)工作點附近，稍微增大干擾幅度，或者設定值階躍變化系統(tǒng)控制質(zhì)量則出現(xiàn)明顯下降。事實表明內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制方案對于內(nèi)部熱耦合精餾過程的平穩(wěn)操作起著關鍵的作用。


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)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(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)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機連接，所述的上位機包括用以滾動優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預測控制器，所述的非線性預測控制器包括 組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，計算式為(1)(2) 其中k為當前采樣時刻，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為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)； 模型參數(shù)自適應校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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； 控制律滾動優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，1為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提餾段，t0、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
進一步，所述的上位機還包括人機界面模塊，用于設定采樣周期T，控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設定值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)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制方法，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Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫當中； 2)根據(jù)控制要求和對象特性設定控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn塔頂塔底液相輕組分濃度設定值X1*，Xn*，其中t0＝0并將設定值存入歷史數(shù)據(jù)庫； 3)從智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強Pr提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti，計算液相輕組分濃度值，計算式為(1)(2) 其中k為當前采樣時刻，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為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，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)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，1為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度； 6)滾動優(yōu)化求解出的進料熱狀況值和精餾段壓強值輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整控制變量值。
進一步，所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中存儲裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示高效節(jié)能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.非線性預測控制系統(tǒng)有效的改進了傳統(tǒng)基于線性辨識模型的常規(guī)預測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高準確度的跟蹤控制效果；2.非線性預測控制系統(tǒng)的滾動優(yōu)化環(huán)節(jié)由于采用了簡化的動態(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)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)的結構圖。
圖2是上位機非線性預測控制器實現(xiàn)方法的功能結構圖。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本發(fā)明實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改或改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明。
實施例1 參照圖1、圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔1直接連接的現(xiàn)場智能儀表2和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲裝置4，控制站5及上位機5，現(xiàn)場智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場總線連接，所述現(xiàn)場總線與存儲裝置4、控制站5和上位機6連接；所述的上位機6包括用以滾動優(yōu)化求解控制律，輸出控制變量值的非線性預測控制器，所述的非線性預測控制器包括組分推斷模塊9，模型參數(shù)自適應校正模塊10，控制律滾動優(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，壓強數(shù)據(jù)，計算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，計算式為(1)(2) 其中k為當前采樣時刻，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為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)。
模型參數(shù)自適應校正擬合模塊10，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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。
控制律滾動優(yōu)化求解模塊11，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，1為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
所述的上位機6包括人機界面模塊12，用于設定采樣周期T，控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設定值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。
實施例2 參照圖1和圖2，一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制方法，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Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫當中； 2)根據(jù)控制要求和對象特性設定控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn(t0＝0)塔頂塔底液相輕組分濃度設定值X1*，Xn*，并將設定值存入歷史數(shù)據(jù)庫 3)從智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強Pr提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti，計算液相輕組分濃度值，計算式為(1)(2) 其中k為當前采樣時刻，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為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，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)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，1為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提留段，t0、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，V1(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
6)滾動優(yōu)化求解出的進料熱狀況值和精餾段壓強值輸送給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)庫為DCS系統(tǒng)中存儲裝置4，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口3，存儲裝置4和控制站5，其中現(xiàn)場智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場總線連接，所述現(xiàn)場總線與存儲裝置4、控制站5和上位機6連接，其中控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示高效節(jié)能精餾塔工作過程狀態(tài)。
權利要求
1.一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)，其特征在于所述非線性預測控制系統(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)包括存儲裝置、控制站和上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機連接，所述的上位機包括用以滾動優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預測控制器，所述的非線性預測控制器包括
組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度，并將組分濃度計算結果存儲在歷史數(shù)據(jù)庫當中，計算式為(1)(2)
其中k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，l為塔頂編號，f為進料板編號，n為塔底編號，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，α為相對揮發(fā)度，a、b、c為安東尼常數(shù)；
模型參數(shù)自適應校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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；
控制律滾動優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，l為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提餾段，to、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vl(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度。
2.如權利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機還包括人機界面模塊，用于設定采樣周期T，控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn(t0＝0)和塔頂塔底液相輕組分濃度設定值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。
3.一種如權利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(tǒng)實現(xiàn)的非線性預測控制方法，其特征在于所述的非線性預測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Ps，安東尼常數(shù)a、b、c、保存在歷史數(shù)據(jù)庫當中；
2)根據(jù)控制要求和對象特性設定控制律目標函數(shù)加權系數(shù)K1，K2，預測時域長度tn塔頂塔底液相輕組分濃度設定值Xl*，Xn*，其中t0＝0并將設定值存入歷史數(shù)據(jù)庫；
3)從智能儀表獲取k采樣時刻精餾段壓強Pr提餾段壓強Ps，以及各塔板溫度Ti，計算液相輕組分濃度值，計算式為(1)(2)
其中k為當前采樣時刻，下腳標i為塔板編號，l為塔頂編號，f為進料板編號，n為塔底編號，Xi為液相輕組分濃度，Pr(k)為k采樣時刻精餾段壓強、Ps提餾段壓強，Ti(k)為k采樣時刻塔內(nèi)各塊塔板的溫度，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)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫當中，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)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值，滾動優(yōu)化求解問題表述如式(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為當前采樣時刻，下角標i為塔板編號，l為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j代表r或者s，下角標r和s分別代表精餾段和提留段，to、tn分別為預測時域起點和終點，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)為進料熱狀況，Pr(t)為精餾段壓強，F(xiàn)為進料流率，Zf為進料組分濃度，Vl(t)，Vf(t)分別為塔頂和進料板處的汽相流率，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定值，q(k)，Pr(k)分別為k采樣時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(k)為k采樣時刻的精餾段或提餾段液相組分濃度分布的位置，q(t0)，Pr(t0)分別為預測時域起始時刻即t0時刻的進料熱狀況和精餾段壓強值，Sj(t0)為t0時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)分別為預測時域終點即tn時刻的塔頂塔底液相輕組分濃度；
6)滾動優(yōu)化求解出的進料熱狀況值和精餾段壓強值輸送給DCS系統(tǒng)中的控制站，調(diào)整控制變量值。
4.如權利要求3所述的非線性預測控制方法，其特征在于所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中存儲裝置，控制站讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示高效節(jié)能精餾塔工作過程狀態(tài)。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾過程的非線性預測控制系統(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)，現(xiàn)場智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機連接，上位機包括用以滾動優(yōu)化求解控制律并輸出控制變量值的非線性預測控制器，非線性預測控制器包括組分推斷模塊，用以從智能儀表獲取溫度，壓強數(shù)據(jù)，計算高效節(jié)能精餾塔各塊塔板的組分濃度；模型參數(shù)自適應校正擬合模塊，用以采用歷史數(shù)據(jù)庫中組分推斷模塊計算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)；控制律滾動優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當前組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當前時刻操作變量值優(yōu)化求解當前的控制變量的理想值。以及提供一種非線性預測控制方法，本發(fā)明控制效果良好、控制品質(zhì)理想。
文檔編號G05B19/418GK101788810SQ20091015566
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權日2009年12月29日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔 申請人:浙江大學