一种空分节能过程的高纯控制系统及方法

专利名称：一种空分节能过程的高纯控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及空分节能过程的控制设计领域，特别地，涉及空分节能过程的高纯控
制系统设计及方法
背景技术：
空分是对空气进行分离，得到氧、氮、氩等高纯工业气体的国民经济重要行业，其产品广泛用于石油、化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料、医疗保健等各种工业领域。而巨大的能量消耗一直为空分行业的瓶颈问题。 世界各国在空分过程的节能研究方面投入了大量的人力物力，在空分过程的过程建模，先进控制等方面作了大量研究。由于空分精馏过程的强非线性，耦合性等复杂动态特性，传统的PID控制，内膜控制等已经不能满足要求，尤其在高纯控制领域，这些控制方案很难及时跟踪设定值变化。而基于近似线性模型的预测控制方案虽然一定程度上改善了控制效果，但是由于近似线性模型只能高效工作在稳态工作点附近，当系统波动幅度较大，则控制系统效果出现明显下降。

发明内容
为了克服已有空分精馏过程的控制系统的不能及时抑制干扰、不能较好地处理耦合问题、跟踪性能差、效率低、精度低的不足，本发明提供一种能够及时抑制干扰、较好地处理耦合问题、跟踪性能良好、效率高、精度高的空分节能过程的高纯控制系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 —种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，其中智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，所述上位机包括用以求解高纯控制律并输出控制变量值的控制器，所述控制器包括 组分推断模块，用以根据获取的智能仪表检测到的温度，压强数据计算空分塔上塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1) (2):
'' ^一1 其中k为当前采样时刻，Xu(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，Xi,。(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，aN， a。分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。为安东尼常数； 模型参数自适应校正模块，用以采用组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合氮和氧的液相组分浓度分布函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，如式(3) (4)(5) (6) I,
义
(3)
(4) SN = |3NP2 (5)
S0 = P0q2 (6) 其中i为塔板编号，l,，w ，》,。分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估液相浓度，Xmin,N， X隨,n， kN， Xmin,。， X隨,。，k。， e N， e 。为拟合参数，SN， S。为空分塔组分浓度分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况； 高纯控制率求解模块，用以根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12) AwO)= 3^。(*)=
"wxi,w (A)
Ow-1)x^O) + l
SN(k) = |3N(P(k) + AP(k))2S0(k) = e。(q(k) + Aq(k))2
一K Aw —4 ((W+1 ^ (W^,，w ("
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
__ = & (Jr ,0* —1 ,0 (")+《41 (x ,0* — x ,0 其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标N、0分别代表氮和氧，上角标f代表进料，Fi(k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液相流率，K(k)分别为塔顶气相流率，xn,N(k)、 xn,。(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，yi,N(k) 、 yi,。(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi,N(k) ， xfi,。(k)分别为第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，、/， Xn,。*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K2， K3， K4为控制律参数根据对象特性进行调节，、N(i) Xn,。(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Aq(k)，AP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值。
作为优选的一种方案所述的上位机还包括人机界面模块，用于设定采样周期T，
控制律参数K2， K3， K4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、/， Xn,。 并显示
控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线。 进一步，所述智能仪表与所述数据接口连接，所述数据接口与数据总线连接，所述
上位机、存储装置和控制站均与数据总线连接。 —种空分节能过程的高纯控制方法，所述的高纯控制方法包括以下步骤 l)确定采样周期T，并将T值，氮和氧相对于氩的相对挥发度aN、 a。，安东尼常
数aw、bw、Cw、a。、b。、c。保存在历史数据库当中； 2)设定控制律参数1^，1(2，1(3，1(4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、
n赁Xn， 0 3)检测k采样时刻上塔压强P (k)，各塔板温度1\ (k)，计算液氮液氧的组分浓度 值，计算式如式(1) (2):
(，，)u，)X"wXlO ~^
,X。,尸(一。x10 &=i (2) 其中k为当前采样时刻，Xu(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相 组分浓度，Uk)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采 样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，aN， a。分别为 氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。为安东尼常数； 并检测k采样时刻塔顶气相流量和塔底液相流量值，同空分塔上塔压强数据，各 塔板温度数据，组分浓度的测量值一起存储到观测器系统的历史数据库当中；
4)采用历史数据库中步骤3)计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数，并将拟 合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3)至式(6): &w=Imm,w+ U> 。) ;=xmin,0+^;fr) (4) SN = P NP2 (5)
S0 = P0q2 (6) 其中i为塔板编号，》,w ， i,.,。分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估
液相浓度，X迈in,n， X隨,n， kN， Xmin,0， X隨,。，k。 ， P N， P 。为拟合参数，SN， S。为空分塔上塔组分浓
度分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况； 5)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当 前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12) 乂,(&)=7-，、' "、 ， (7)
Ao("=
or


(a。_l)x100) + l
SN(k) = |3N(P(k) + AP(k))2 (9) S0(k) = e。(q(k) + Aq(k))2 (10)
—K (";v W—丄 ("+t巧W __
(8)
(11)
,+=i
(12)=《3(d,0(A:)) + ^(A。* -
,=1 其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下 角标N、0分别代表氮和氧，上角标f代表进料，Fi(k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液 相流率，K(k)分别为塔顶气相流率，xn,N(k)、 xn,。(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，yi, N(k) 、 yi,。(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi,N(k) ， xfi,。(k)分别为第i块塔板的进料液 氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，、/， Xn,。*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度 设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K2， K3， K4为控制律参数根据对象特性进行调节，、 N(i) Xn,。(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Aq(k)， AP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想 改变值； 6)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改 变值Aq(k)， AP(k)输送给DCS系统中的控制站，调整空分节能过程的进料热状况值和上 塔压强值。 进一步，所述的历史数据库为DCS系统中存储装置，智能仪表与所述数据接口连 接，所述数据接口与数据总线连接，所述上位机、存储装置和控制站均与数据总线连接，所 述控制站中，读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。 本发明的有益效果主要表现在1 、高纯控制方案建立在高精度非线性动态模型基 础上，能够及时抑制干扰作用；2、控制方案较好地处理了耦合问题，能够快速准确地跟踪设 定值变化；3、效率高、精度高。


图1是本发明所提出的空分节能过程的高纯控制系统结构图
图2是上位机控制器实现方法的原理图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1 参照图l，一种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分塔1直接连接的现场智 能仪表2、DCS系统中的存储装置4，控制站5及上位机6，其中智能仪表2、存储装置4，控制 站5和上位机6依次相连，其特征在于上位机6实现高纯控制器功能，求解高纯控制律，输 出控制变量改变值，所述的控制器包括组分推断模块，模型参数自适应校正模块，空分节能 过程的高纯控制率求解模块； 所述的组分推断模块9，其特征在于上位机6获取智能仪表2检测到的温度，压强 数据计算空分塔上塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1) (2):
P(A0x x10
。w)
1
"f1
尸(A:)x"。x10
(，-。o)
-1
(1)
(2) 其中k为当前采样时刻，X^(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相 组分浓度，Uk)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采 样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，aN， a。分别为 氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。为安东尼常数。 所述的模型参数自适应校正模块10采用组分推断模块计算出的组分浓度数据， 在线拟合氮和氧的液相组分浓度分布函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，如式(3) (4) (5) (6)
7 + e_^v6:^v」
兀
x'0
(4)
X,，。分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估 SN = P NP2 (5)
S0 = P 0q2 (6)
其中i为塔板编号，i," 液相浓度，Xmin,N， X隨,n， kN， Xmin,。， X隨,。，k。， e N， e 。为拟合参数，SN， S。为空分塔组分浓度分 布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况。 所述的空分节能过程的高纯控制率求解模块11根据当前氮和氧的液相组分浓度 数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代 数方程组如式(7)至式(12) 八#)= 凡。("=
a,
SN(k) S0(k)
|3N(P(k) + AP(k)): P。(q(k) + Aq(k)):
(7)
(8)
(9)
(10)
—K W —丄 Wx",w (A:) + t巧("x,w (A:) _i^j_
,=1
—K (A:)八o (A) — Z ("x ,0 (A) +1巧(A)
(11)
似(x"。0)-x,o(A:))
(12) = & (— X 0 (A:》+ & ￡ (X 0* — X 0 (z〕F 其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下 角标N、0分别代表氮和氧，上角标f代表进料，Fi(k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液 相流率，K(k)分别为塔顶气相流率，xn,N(k)、 xn,。(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，yi, N(k) 、 yi,。(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi,N(k) ， xfi,。(k)分别为第i块塔板的进料液 氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，、/， Xn,。*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度 设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K2， K3， K4为控制律参数根据对象特性进行调节，、 N(i) Xn,。(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Aq(k)， AP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想 改变值。 所述的上位机6包括人机界面模块12，用于设定采样周期T，控制律参数&， K2， K3， 1(4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、/， Xn,。 并显示控制器的输出曲线 和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线； 空分塔1与智能仪表2连接，智能仪表2与所述数据接口 3连接，所述数据接口 3 与数据总线连接，所述上位机6、存储装置4和控制站5均与数据总线连接。
实施例2 参照图1和图2，一种空分节能过程的高纯控制方法，所述的控制方法包括以下步 骤 1)确定采样周期T，并将T值，氮和氧相对于氩的相对挥发度aN、 a。，安东尼常数 aw、bw、Cw、a。、b。、c。保存在历史数据库当中； 2)设定控制律参数1^，1(2，1(3，1(4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、
N赁Xn， 0 3)检测k采样时刻上塔压强P (k)，各塔板温度1\ (k)，计算液氮液氧的组分浓度 值，计算式如式(1) (2):
.1
P(A:)xaoxl0
_1
(1)
—1
"。—1
(2)义,, 其中k为当前采样时刻，X^(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，Uk)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采 样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，aN， a。分别为 氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。为安东尼常数。 并检测k采样时刻塔顶气相流量和塔底液相流量值，同空分塔上塔压强数据，各 塔板温度数据，组分浓度的测量值一起存储到观测器系统的历史数据库当中；
4)采用历史数据库中步骤3)计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数，并将拟 合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3)至式(6): 《
X
max.
《,O =Zmin,C +-
-
max" min"
(3)
(4) SN = P NP2 (5)
S0 = P 0q2 (6) 其中i为塔板编号，i,, ， i,，。分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预 估液相浓度，Xmin,N， X隨,n， kN， Xmin,。， X隨,。，k。， e N， e 。为拟合参数，SN， S。为空分塔组分浓度 分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况。 5)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当 前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12)
"wxi,w (A)
sN(k)= s0(k)=
|3N(P(k) + AP(k)): P。(q(k) + Aq(k)):
(7)
(8)
(9)
(10)
-K ("-丄 (" + & W
(11)=《(Xj -(A:)) +《21— ^w
-K ("八。("_丄 (*K。 (" +1《 _^1_
:^ do* _ A,。 (") + 4 d,。* _ A,。 (OF
(12) 其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下 角标N、0分别代表氮和氧，上角标f代表进料，Fi(k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液 相流率，K(k)分别为塔顶气相流率，xn,N(k)、 xn,。(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，yi, N(k) 、 yi,。(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi,N(k) ， xfi,。(k)分别为第i块塔板的进料液 氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，、/， Xn,。*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K2， K3， K4为控制律参数根据对象特性进行调节，X1' N(i) Xn'°(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Aq(k)， AP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想 改变值； 6)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改 变值Aq(k)， AP(k)输送给DCS系统中的控制站5，调整空分节能的进料热状况值和上塔 压强值。 空分塔1与智能仪表2连接，智能仪表2与所述数据接口 3连接，所述数据接口 3 与数据总线连接，所述上位机6、存储装置4和控制站5均与数据总线连接。
所述的历史数据库为DCS系统中存储装置4，所述的DCS系统包括数据接口 3，存 储装置4，控制站5，其中控制站可以读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。
权利要求
一种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，其中智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，其特征在于所述上位机包括用以求解高纯控制律并输出控制变量值的控制器，所述控制器包括组分推断模块，用以根据获取的智能仪表检测到的温度，压强数据计算空分塔上塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1)(2) <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>N</mi></msub><mo>&times;</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>c</mi> <mi>N</mi></msub> </mrow> <msub><mi>b</mi><mi>N</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>N</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>N</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>P</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>O</mi></msub><mo>&times;</mo><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>c</mi> <mi>O</mi></msub> </mrow> <msub><mi>b</mi><mi>O</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>O</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>O</mi></msub><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k为当前采样时刻，Xi，N(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，Xi，O(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，αN，αO分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、bN、cN、aO、bO、cO为安东尼常数；模型参数自适应校正模块，用以采用组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合氮和氧的液相组分浓度分布函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，如式(3)(4)(5)(6) <mrow><msub> <mover><mi>X</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>max</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub> </mrow> <msup><mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>e</mi></mrow><mrow> <msub><mrow> <mo>-</mo> <mi>k</mi></mrow><mi>N</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><msub> <mi>S</mi> <mi>N</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow> </msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mover><mi>X</mi><mo>^</mo> </mover> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>max</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>min</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub> </mrow> <msup><mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>e</mi></mrow><mrow> <msub><mrow> <mo>-</mo> <mi>k</mi></mrow><mi>O</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><msub> <mi>S</mi> <mi>O</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow> </msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>Sn＝βNP2 (5)SO＝βOq2 (6)其中i为塔板编号，分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估液相浓度，Xmin，N，Xmax，N，KN，Xmin，0，Xmax，0，K0，βN，β0为拟合参数，SN，S0为空分塔组分浓度分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况；高纯控制率求解模块，用以根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12) <mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>N</mi></msub><msub> <mi>x</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mi>N</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>O</mi></msub><msub> <mi>x</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mi>O</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>SN(k)＝βN(P(k)+ΔP(k))2 (9)SO(k)＝βO(q(k)+Δq(k))2 (10) <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mo>-</mo><mi>V</mi> </mrow> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <msup><mi>x</mi><mi>f</mi> </msup> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>N</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>X</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub><mi>X</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>X</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub><mi>X</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>T</mi> </mrow> <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mo>-</mo><mi>V</mi> </mrow> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <msup><mi>x</mi><mi>f</mi> </msup> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>M</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>O</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>O</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub><mi>X</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>O</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>4</mn></msub><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub><mi>X</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>O</mi></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>T</mi> </mrow>其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标N、O分别代表氮和氧，上角标f代表进料，Fi(k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分别为塔顶气相流率，xn，N(k)、xn，O(k0分别为塔底液氮液氧的组分浓度，y1，N(k)、y1，O(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分别为第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，X1，N*，Xn，O*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K1，K2，K3，K4为控制律参数根据对象特性进行调节，X1，N(i)Xn，O(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Δq(k)，ΔP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值。F2009101555637C00015.tif
2. 如权利要求1所述的一种空分节能过程的高纯控制系统，其特征在于所述的上位机还包括人机界面模块，用于设定采样周期T，控制律参数Kp K2， K3， 1(4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、/， Xn,。*，并显示控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线。
3. 如权利要求1或2所述的一种空分节能过程的高纯控制系统，其特征在于所述智能仪表与所述数据接口连接，所述数据接口与数据总线连接，所述上位机、存储装置和控制站均与数据总线连接。
4. 一种如权利要求1所述的空分节能过程的高纯控制系统实现的高纯控制方法，其特征在于所述的高纯控制方法包括以下步骤1) 确定采样周期T，并将T值，氮和氧相对于氩的相对挥发度aN、 a。，安东尼常数 、b,、c,、a。、b。、c。保存在历史数据库当中；2) 设定控制律参数K" K2， K3， 1(4和上塔塔顶塔底氮氧的液相轻组分浓度设定值、/，Xn,0*3) 检测k采样时刻上塔压强P (k)，各塔板温度1\ (k)，计算液氮液氧的组分浓度值，计算式如式(1) (2):<formula>formula see original document page 3</formula>其中k为当前采样时刻，Xu(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，Uk)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采样时刻空分塔上塔压强，Ti(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，aN， a。分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。为安东尼常数；并检测k采样时刻塔顶气相流量和塔底液相流量值，同空分塔上塔压强数据，各塔板温度数据，组分浓度的测量值一起存储到观测器系统的历史数据库当中；4)采用历史数据库中步骤3)计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3)至式(6): <formula>formula see original document page 4</formula> 其中i为塔板编号，i,, ， i,w分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估液相浓度，X迈in,n， X隨,n， KN， Xmin,o， X隨,。，K。 ， P N， P 。为拟合参数，SN， S。为空分塔上塔组分浓度分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况；5)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12)<formula>formula see original document page 4</formula>其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，l为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标N、 0分别代表氮和氧，上角标f代表进料，& (k)为第i块塔板进料流量，Ln(k)塔底液相流率，K (k)分别为塔顶气相流率，xn,N(k) 、 xn,。(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，yi,N(k)、yu(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，xfi,N(k)， xfi,。(k)分别为第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，、/， Xn,J分别为上塔塔顶氮汽液相浓度设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，&， K2， K3， 1(4为控制律参数根据对象特性进行调节，、N(i)Xn,。(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Aq(k)，AP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值；6)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改变值Aq(k)， AP(k)输送给DCS系统中的控制站，调整空分节能过程的进料热状况值和上塔压强值。
5.如权利要求4所述的高纯控制方法，其特征在于所述的历史数据库为DCS系统中存储装置，智能仪表与所述数据接口连接，所述数据接口与数据总线连接，所述上位机、存储装置和控制站均与数据总线连接，所述控制站中，读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。
全文摘要
一种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，智能仪表与存储装置，控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以求解控制律并输出操作变量值的控制器，所述控制器包括组分推断模块、模型参数自适应校正模块和高纯控制律求解模块。也提供了一种空分节能过程的高纯控制方法。本发明提供一种能够及时抑制干扰、较好地处理耦合问题、跟踪性能良好、效率高、精度高的空分节能过程的高纯控制系统及方法。
文档编号G05B19/418GK101776890SQ20091015556
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者刘兴高, 周叶翔 申请人:浙江大学