基于温度波模型预测控制的内部热耦合精馏控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精馏节能过程中的非线性控制领域，具体地说，涉及一种基于温度波 模型预测控制的内部热耦合精馏控制装置。
【背景技术】
[0002] 精馏过程能耗占国民经济总能耗的20%，占石油化工行业的67%，是石油、化工、 冶金、煤化等行业广泛使用的单元操作，与我国国民经济的诸多支柱产业息息相关。然而， 精馏过程能源利用率极低，仅为5% -10%，严重制约了经济的发展。
[0003]内部热耦合精馏技术充分利用精馏段与提馏段之间的热交换，比常规精馏节能 30%以上。然而，内部热耦合精馏过程的热耦合导致该过程具有显著的非线性动态特性，使 得该塔的控制策略设计显得尤为困难。传统的PID控制方案等已经不能满足要求，在内部 热耦合精馏塔的过程控制当中，这些方案已经很难使精馏过程稳定。而基于线性辨识模型 的控制方案只能工作在稳态工作点附近，稍微增大干扰幅度，或者设定值阶跃变化，系统控 制质量则出现明显下降。因此，基于内部热耦合精馏塔的非线性特性，并在此基础上实现内 部热耦合精馏塔高效节能过程有效的的非线性控制方案，是提高内部热耦合精馏过程的产 品品质的保障，已经成为一项关键的精馏节能技术，具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有内部热耦合精馏的控制装置存在的在线运行效率低下、抑制干扰 能力差、控制效果差、对噪声敏感度低等上述不足，提供了一种基于温度波模型预测控制的 内部热耦合精馏控制装置，该控制装置能够实现精确迅速的设定值跟踪，具有在线运行速 度快，抗噪声能力强、控制效果好等优点。
[0005] 本发明的技术方案是：一种基于温度波模型预测控制的内部热耦合精馏控制装 置，包括内部热耦合精馏塔、智能仪表、控制站、数据存储装置及上位机，所述智能仪表与所 述内部热耦合精馏塔连接，用于进行数据采集；所述控制站与所述内部热耦合精馏塔连接， 用于实现对内部热耦合精馏塔的控制；所述数据存储装置与所述智能仪表和所述控制站连 接，用于实现数据存储；所述上位机与所述数据存储装置和所述控制站连接，用于实现控制 参数的求解，所述上位机包括用于观测浓度及浓度梯度的浓度梯度描述模块、用于观测温 度梯度的温度梯度描述模块、用于观测温度波静态的温度波静态描述模块、用于观测温度 波动态的温度波动态描述模块、用于实现设定值转换的设定值转换模块及用于求解控制参 数的控制参数求解模块；其中，
[0006] ( -）所述浓度梯度描述模块观测浓度及浓度梯度的步骤为：通过智能仪表中的 温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件采集相应的温度、压力、流量参数，传输至数据 存储装置，再由数据存储装置传输至所述浓度梯度描述模块，通过所述浓度梯度描述模块 确定出浓度梯度与进料热状况之间的关系，所述浓度梯度描述模块包括各塔板的浓度观测 和各塔板的浓度梯度观测两部分；
[0007] 1)各塔板的浓度观测，根据公式（1)、⑵获得各塔板当前时刻的浓度值，并将结 果传输至数据存储装置，公式（1)、（2)的表达式如下：
【主权项】
1. 一种基于温度波模型预测控制的内部热耦合精馏控制装置，其特征在于：包括内部 热耦合精馏塔、智能仪表、控制站、数据存储装置及上位机，所述智能仪表与所述内部热耦 合精馏塔连接，用于进行数据采集；所述控制站与所述内部热耦合精馏塔连接，用于实现对 内部热耦合精馏塔的控制；所述数据存储装置与所述智能仪表和所述控制站连接，用于实 现数据存储；所述上位机与所述数据存储装置和所述控制站连接，用于实现控制参数的求 解，所述上位机包括用于观测浓度及浓度梯度的浓度梯度描述模块、用于观测温度梯度的 温度梯度描述模块、用于观测温度波静态的温度波静态描述模块、用于观测温度波动态的 温度波动态描述模块、用于实现设定值转换的设定值转换模块及用于求解控制参数的控制 参数求解模块；其中， (一）所述浓度梯度描述模块观测浓度及浓度梯度的步骤为：通过智能仪表中的温度 检测元件、压力检测元件、流量检测元件采集相应的温度、压力、流量参数，传输至数据存储 装置，再由数据存储装置传输至所述浓度梯度描述模块，通过所述浓度梯度描述模块确定 出浓度梯度与进料热状况之间的关系，所述浓度梯度描述模块包括各塔板的浓度观测和各 塔板的浓度梯度观测两部分； 1) 各塔板的浓度观测，根据公式（1)、⑵获得各塔板当前时刻的浓度值，并将结果传 输至数据存储装置，公式（1)、（2)的表达式如下：
式中，t为当前采样时刻，已⑴为t采样时刻的精馏段压强、Ps(t)为t采样 时刻的提馏段压强，?α)为t采样时刻第i块塔板的温度，i表示塔板编号α = 1，2, · · ·，f，f+1，· · ·，n，1为塔顶编号，f为进料板编号，η为塔底编号），Pr (t)、PS (t)及Ti (t) 可由智能仪表测得，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数，Xi (t)为t采样时刻第i块板 塔的液相轻组分的浓度测量值； 2) 各塔板的浓度梯度观测，根据公式（3)、（4)、（5)、（6)获得各塔板当前时刻的浓度 梯度与进料热状况之间的关系，并将结果传输至温度梯度描述模块，公式（3)、（4)、（5)、（6) 的表达式如下：
式中，H为持液量，Vi (t)为t采样时刻第i块板塔的气相流率，Li (t)为t采样时刻第 i块板塔的液相流率，Xi (t)为t采样时刻第i块板塔的液相轻组分的浓度测量值，Yi (t)为 t采样时刻第i块板塔的气相轻组分浓度，^^为t采样时刻第i块板塔的液相轻组分 dt 的浓度梯度值，i表示塔板编号（i = 1，2,. . .，f，f+1，. . .，n，1为塔顶编号，f为进料板编 号，η为塔底编号），F (t)为t采样时刻的进料流量，Zf (t)为t采样时刻的进料组分；Yi (t) 由公式（7)得到，公式（7)的表达式如下： YiU) = aXi(t)/[(a-l)Xi(t)+l]i = I, 2, . . . , f, f+1, . . . , η (7) 式中，a为相对挥发度，i表示塔板编号（i = 1，2, . . .，f，f+1，. . .，η，1为塔顶编号，f 为进料板编号，η为塔底编号），Xi (t)为t采样时刻第i块板塔的液相轻组分的浓度测量 值； 所述气液相流率由公式（8)、（9)、（10)、（11)、（12)、（13)、（14)得到，公式（8)、（9)、 (10)、（11)、（12)、（13)、（14)的表达式如下： 户
QiU) = UAX (TiU)-Τ?+Μα)), i = (14) 式中，i表示塔板编号，f为进料板编号，Qi (t)为t采样时刻第i块塔板上的热耦合量， UA为传热速率，λ为汽化潜热，q(t)为t采样时刻的进料热状况，其中，q(t)为所述控制 装置下一时刻的两个控制参数之一； 通过公式（3) - (14)，建立浓度梯度与进料热状况之间的关系，浓度梯度与进料热状况 之间的关系由公式（15)简化表示，公式（15)的表达式如下：
式中，i表示塔板编号（1为塔顶编号，η为塔底编号），Α表示由公式（3)-(14)得到的 结构已知的非线性函数关系； (二）所述温度梯度描述模块观测温度梯度的步骤为：通过数据存储装置提取智能仪 表中的温度检测元件、压力检测元件收集的温度、压力参数，以及所述浓度梯度描述模块得 到的浓度梯度信息，通过所述温度梯度