如 图2所示。该解禪控制系统包括模型辨识单元，解禪降阶单元和控制器设计单元。模型辨 识单元，用于根据所需辨识的二元精馈塔输入和输出，辨识出所需的二元精馈塔的传递函 数；解禪降阶单元，根据二元精馈塔辨识出的传递函数进行改进的简单解禪，然后通过一种 频率拟合的降阶方法得到一阶加时滞对象；控制器设计单元，根据解禪降阶后的传递函数， 根据给定的幅值裕度和稳定裕度，设计出分布式对角型控制器，并输出控制器参数。本发明 中，二元精馈塔实际对象如图1所示；解禪降阶单元中解禪器用的是改进的简单解禪形式， 如图3所示；该设计过程思路简洁，方便工业现场应用与控制工程师理解，具有较强的实际 应用价值。
[007引为对本发明的技术方案进行更好的说明，W下是对本发明中所设计的设及的基本 理论的介绍。
[0079] 1、本发明中辨识单元中所用辨识方法采用最小二乘辨识方法。最小二乘法最早由 高斯所提出，其最初用于行星轨道的预报研究工作，后来由于最小二乘法若干实用的特性， 被广泛用于估计理论中。最小二乘法的理论本质是通过最小化误差的平方和寻找数据的最 佳匹配函数。利用最小二乘法可W简便地求得未知的数据，并使得该些求得的数据与实际 数据之间误差的平方和为最小。
[0080] 由于最小二乘法在数据统计方面的优良特性，因此也被用到系统辨识中，根据不 同的对象特性，其所用到方法的也不同，主要包括，最小二乘参数估计递推算法，最小二乘 适应算法，广义最小二乘法等改进的最小二乘算法。
[0081] 2、本发明中解禪降阶单元采用动态解禪理论，通过一种改进的简单解禪方法来处 理禪合问题，然后通过一种基于频率零点静态增益相同和相角穿越频率点两个传递函数幅 值和相角近似的降阶方法得到一阶加纯滞后等效模型的参数。该解禪器设计简单，并且能 够使解禪器变成有理且可实现性，效果也要优于静态解禪。同时，该发明中使用的降阶方法 易于理解，在很多理论中得到验证，且得到的降阶后的模型的奈奎斯特曲线与原解禪后的 传递函数矩阵的奈奎斯特曲线再低中频段拟合得非常好，因此其降阶效果良好。
[0082] 3、本发明中控制器的设计依赖于工程师想要得到的稳定裕度数值。给定控制器 设计所需要的幅值裕度和相角裕度，得到PI控制器的简单设计过程，整定方法推导严谨有 序，方法简单，便于工程实施。
[0083] W下是通过具体实例对本发明进行说明。
[0084] W多变量系统研究中经典的二元精馈塔Vinante and Luyben(VL)模型为例对本 方法进行说明。
[0085] 该模型是Vinante and Luyben于1972年提出，是一个典型的闭环系统蒸馈过程 模型，其塔顶组分和塔底组分间存在较强影响，具有强禪合、大滞后等特点。
[0086] 首先，模型辨识模块根据输入输出数据，采用最小二乘法辨识出二元精馈塔的传 递函数表达式如下：
[0087]
[008引根据上述发明方法，在解禪控制单元根据辨识单元所辨识出的模型传递函数进行 禪合处理，利用改进的简单解禪方法，可W得到如下的解禪器形式：
[0089]
[0090] 解禪后的对角矩阵中的元素为
[0093] 采用降阶方法后得到的一阶加时滞形式的传递函数结果如下：
[0096] 原来的传递函数和降阶后得到的传递函数的nyquist曲线如图4所示，由图看出， 降阶后的模型在低中频段很好的拟合原解禪后的传递函数的频率特性，所得一阶加纯滞后 等效传递函数可W很好的作为对角控制器设计的依据。
[0097] 由于一般要求的稳定幅值裕度和相角裕度分别在S到五之间和^到f之间，为 了方便起见，为方便计算我们所取得幅值裕度为=，相角裕度为f，得到的PI控制器为
[0100] 由W上计算过程可看出，本发明所述分布式控制方法结构简单，计算简单，逻辑紧 密，便于工程师理解和应用。本发明所设计的分布式控制系统实际应用在二元精馈塔模型 上。根据上述分析结果，针对通道1，在t = Os在rl加入大小为1的阶跃输入信号，然后 在t = 35s时，在r2加入阶跃为1的扰动，得到rl-yl通道的输出响应曲线为图5 ;然后 对于通道2,同理在t = Os时在r2加入大小为1的阶跃输入信号，然后在t = 35s时在rl 加入阶跃为1的扰动，得到r2-y2通道的输出响应曲线为图6。由两图看出，所提出的针对 二元精馈塔的分布式控制方法确实有效可行，对设定值变化能够实现快速跟踪，具有超调 小的优点，抗干扰能力强，而且控制器输出幅值保持在较小的范围内，可W有效提高控制器 的耐用性，提高生产效率和经济效益相比传统内模控制器具有很大改善，大大提高生产效 率和经济效益。
[0101] 上述仅仅是对本发明精神的展示，而不是限制。
【主权项】
1. 一种二元精馏塔分布式控制系统，其特征在于，包括： 模型辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔输入和输出，给出二元精馏塔的传递 函数； 解耦降阶单元，根据二元精馏塔辨识出的传递函数进行动态解耦，并通过降阶方法得 到进行设计控制器所需要的传递函数； 控制器设计单元，针对解耦降阶后的传递函数，根据给定的幅值裕度和稳定裕度，设计 出分布式对角型控制器，并输出控制器参数。2. 如权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述分布式控制系统目标对象 为二元精馏塔模型，所述二元精馏塔模型为二输入二输出的模型，所述二元精馏塔模型的 传递函数为其中，为G(s)第j个输入到第i个输出的传递函数，Tu彡〇为该第 j个输入到第i个输出的通道的时滞，s为拉普拉斯算子，i，j= 1，2 ; 其中，所述模型辨识单元具体用最小二乘法来辨识所述的二元精馏塔模型，得到其具 体传递函数。3. 如权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，针对二元精馏塔模型采用对角 型解耦方法进行系统解耦，解耦后其广义被控对象成为对角阵形式其中G(s)为辨识出的被控对象，D(s)为设计的简单解耦器；针对H(s)利用降阶方法 得到一阶加时滞传递函]4. 如权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于所述设计控制器为对角型控制器 形￥5. 如权利要求1所述的分布式控制系统，其特征在于，所述控制器设计单元中分布式 控制器依赖二元精馏塔传递函数解耦后的一阶加时滞传递函数，根据给定的开环传递函数 的幅值裕度和相角裕度，此时开环传递函数P" (s)Q(s)，i= 1，2,分别满足相角为-JT和幅 值为1，然后得到基于稳定裕度的PI控制署=1，2,其中kpi为比例 控制参数，Tn为积分时间常数。
【专利摘要】本发明公开了一种二元精馏塔的分布式控制系统。系统包括，模型辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔输入和输出，辨识出所需的二元精馏塔的传递函数；解耦降阶单元，根据二元精馏塔辨识出的传递函数进行改进的简单解耦，然后通过一种频率拟合的降阶方法得到一阶加时滞对象；控制器设计单元，根据解耦降阶后的传递函数，根据给定的幅值裕度和稳定裕度，设计出分布式对角型控制器，并输出控制器参数。本方法的优点是基于分布式控制系统，根据实际给定的裕度值，可以得到符合开环稳定裕度的分布式控制器。该方法思路简单，满足控制回路稳定要求，便于根据需要调节PI控制器参数，明显改善二元精馏塔的控制性能，提高生产效率和经济效益。
【IPC分类】G05B19/04
【公开号】CN104950725
【申请号】CN201510351782
【发明人】靳其兵, 朱凌佳, 王琪, 周星
【申请人】北京化工大学, 北京国控天成科技有限公司
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月31日