專利名稱：空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分塔的控制系統(tǒng)和方法設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別地，涉及一種空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
空分裝置就是對(duì)空分進(jìn)行分離，并得到氧、氮、氬等高純工業(yè)氣體的裝置。它是眾多關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的產(chǎn)業(yè)的支持性單元操作，如化工、冶金、電子、能源、航空航天、食品飲料等，屬于國(guó)家重大設(shè)備，其發(fā)展規(guī)模與技術(shù)狀況是衡量一個(gè)國(guó)家的工業(yè)和科技發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。
空分操作是一個(gè)涉及低溫、多設(shè)備、長(zhǎng)流程、操作復(fù)雜、安全生產(chǎn)要求很高的一個(gè)復(fù)雜過程。生產(chǎn)中，氧、氮、氬產(chǎn)品的純度往往要求高達(dá)99％以上，屬于高純精餾控制問題，對(duì)空分塔操作的平穩(wěn)性要求很高，而高純精餾過程由于其所表現(xiàn)出來的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，傳統(tǒng)的如PID等線性控制方案很難對(duì)其得到較好的控制效果。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的空分塔控制方案的不能適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性、不能得到良好的控制效果的不足，本發(fā)明提供一種能夠適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，控制綜合效果好的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)為動(dòng)態(tài)矩陣控制器，所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器包括組分推斷控制部分和動(dòng)態(tài)矩陣控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制部分包括I/O元件模塊，用于動(dòng)態(tài)矩陣控制器的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊，用于通過階躍測(cè)試得到動(dòng)態(tài)矩陣控制算法所基于的非參數(shù)階躍模型，具體實(shí)施步驟如下(1)對(duì)搭建好的開環(huán)系統(tǒng)做階躍響應(yīng)得到階躍響應(yīng)曲線。
(2)確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在有限采樣周期后將趨于穩(wěn)態(tài)值即aN≈a(∞)，并確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，N取20～60；(3)選取合適的控制器采樣周期T，T的選取應(yīng)滿足NT時(shí)刻過程響應(yīng)值已接近其穩(wěn)態(tài)值；
(4)在各采樣時(shí)間t＝T、2T、3T、…、NT從DCS中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫里獲得一序列采樣值，它們用動(dòng)態(tài)系數(shù)a1，a2， aN來表示；(5)將其一般化為單位階躍響應(yīng)后，采樣數(shù)據(jù)的有限集合{a1，a2， aN}構(gòu)成DMC算法中的預(yù)測(cè)模型參數(shù)；反饋校正模塊，用于用實(shí)際輸出誤差來修正由于模型誤差和擾動(dòng)所造成的系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值的偏差，最終確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值，其算式為(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)；A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中，P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；滾動(dòng)優(yōu)化模塊，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)
yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...)(4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(2)選取合適的誤差加權(quán)矩陣Q，Q＝diag(q1，q2，...，qP)和控制加權(quán)矩陣R，R＝diag(r1，r2，...，rM)；(3)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)](5)其中diT＝(ATQA+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>二次曲線擬和模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到空分塔。
作為優(yōu)選的一種方案所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接作為優(yōu)選的再一種方案所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于將計(jì)算得到的控制變量R(k)，L(k)的值，以及檢測(cè)得到的Y1、Xn的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
一種用所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定空分塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過從組分推斷模塊得到的Y1、Xn的值，通過反饋校正模塊的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)值，其算式如下(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中，Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)，A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>
A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；(4)基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(4.1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...) (4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中，yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(4.2)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)] (5)其中，diT＝(ATQA+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>(5)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
(6)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給空分塔。
作為優(yōu)選的一種方案所述的控制方法還包括(7)、在所述的(4～5)中計(jì)算了控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的Y1、Xn的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，在所述(7)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過程狀態(tài)。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為采用氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分Y1、液氧產(chǎn)品中氮的組分Xn為被控變量，下塔至上塔的液氧和液空的回流量、液氧產(chǎn)品的流量為相應(yīng)的控制變量。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空分塔過程的平穩(wěn)操作和對(duì)兩端組分的控制。和常規(guī)的空分塔控制系統(tǒng)不同，它的控制器算法采用動(dòng)態(tài)矩陣控制這種預(yù)測(cè)控制算法，它具有對(duì)模型要求低、在線計(jì)算方便、控制綜合效果好的優(yōu)點(diǎn)，通過預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正三個(gè)環(huán)節(jié)，運(yùn)用到空分塔上獲得比較不錯(cuò)的控制效果。
動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)空分塔上塔兩端產(chǎn)品雙組分控制的平穩(wěn)操作，操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，并且較傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)性能上有很大的改進(jìn)，所以有非常大的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、能夠適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高純精餾過程塔頂塔底雙組分控制的平穩(wěn)操作；2、模型要求低、在線計(jì)算方便、控制綜合效果好。


圖1是本發(fā)明所提出的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)的硬件連接圖。
圖2是本發(fā)明動(dòng)態(tài)矩陣控制器的原理框圖。
圖3是本發(fā)明所提出的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)連接圖。
圖4是動(dòng)態(tài)矩陣控制器階躍響應(yīng)模型原理圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1～圖4，一種空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，包括與空分塔1直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)6，智能儀表2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)6依次相連，所述的上位機(jī)6為動(dòng)態(tài)矩陣控制器，所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器包括組分推斷控制部分和動(dòng)態(tài)矩陣控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊7，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊9，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊10，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制部分11包括I/O元件模塊，用于動(dòng)態(tài)矩陣控制器的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊11，用于通過階躍測(cè)試得到動(dòng)態(tài)矩陣控制算法所基于的非參數(shù)階躍模型，具體實(shí)施步驟如下(6)對(duì)搭建好的開環(huán)系統(tǒng)做階躍響應(yīng)得到階躍響應(yīng)曲線。
(7)確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在有限采樣周期后將趨于穩(wěn)態(tài)值即aN≈a(∞)，并確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，N取20～60；(8)選取合適的控制器采樣周期T，T的選取應(yīng)滿足NT時(shí)刻過程響應(yīng)值已接近其穩(wěn)態(tài)值；(9)在各采樣時(shí)間t＝T、2T、3T、...、NT從DCS中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫里獲得一序列采樣值，它們用動(dòng)態(tài)系數(shù)a1，a2， aN來表示；(10)將其一般化為單位階躍響應(yīng)后，采樣數(shù)據(jù)的有限集合{a1，a2， aN}構(gòu)成DMC算法中的預(yù)測(cè)模型參數(shù)；反饋校正模塊12，用于用實(shí)際輸出誤差來修正由于模型誤差和擾動(dòng)所造成的系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值的偏差，最終確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值，其算式為(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)；A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中，P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；滾動(dòng)優(yōu)化模塊13，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(4)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...) (4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(5)選取合適的誤差加權(quán)矩陣Q，Q＝diag(q1，q2，...，qP)和控制加權(quán)矩陣R，R＝diag(r1，r2，...，rM)；(6)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)](5)其中diT＝(ATQA+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>二次曲線擬和模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到空分塔。
所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4和歷史數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫5。所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，包括與現(xiàn)場(chǎng)空分塔1相連的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)矩陣控制器6，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4和歷史數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成；現(xiàn)場(chǎng)空分塔對(duì)象1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。
本實(shí)施例的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)的核心為動(dòng)態(tài)矩陣控制器6，此外還包括現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2，DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)空分塔1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器6通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下達(dá)。動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)及時(shí)通過檢測(cè)到的和從歷史數(shù)據(jù)庫5中提取的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量的值，并返回給底層系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)做出反應(yīng)。
本實(shí)施例的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制器的原理框圖如附圖2所示，所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制器包括推斷控制部分，用于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品組分不能被直接測(cè)量的難題，相對(duì)于在線應(yīng)用工業(yè)色譜儀的辦法，可以大大消除測(cè)量滯后且具有相對(duì)較強(qiáng)的可靠性。
1)檢測(cè)儀表模塊7包括溫度檢測(cè)元件，可采用熱電偶式溫度變送器，和壓力檢測(cè)元件，可采用壓阻式變送器。
2)I/O元件模塊9用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸。
3)組分推斷模塊10用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分。其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>
Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，Tn為上塔溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；動(dòng)態(tài)矩陣控制部分，用于運(yùn)用動(dòng)態(tài)矩陣控制算法得到實(shí)時(shí)的控制變量的值。
1)I/O元件模塊9用于動(dòng)態(tài)矩陣控制的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。
2)預(yù)測(cè)模型模塊11，用于通過階躍測(cè)試得到動(dòng)態(tài)矩陣控制算法所基于的非參數(shù)階躍模型。具體實(shí)施步驟如下(1)對(duì)搭建好的開環(huán)系統(tǒng)做階躍響應(yīng)得到如附圖4的階躍響應(yīng)曲線。
(2)確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在有限采樣周期后將趨于穩(wěn)態(tài)值即aN≈a(∞)，根據(jù)實(shí)際情況確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，N取的越大精度越高，但同時(shí)計(jì)算量越大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求越高，一般N取20～60。
(3)選取合適的控制器采樣時(shí)間T，T的選取應(yīng)使NT時(shí)刻過程響應(yīng)值已接近其穩(wěn)態(tài)值。
(4)在各采樣時(shí)間t＝T、2T、3T、...、NT可從DCS中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫里獲得一序列采樣值，它們可以用動(dòng)態(tài)系數(shù)a1，a2， aN來表示，(5)將其一般化為單位階躍響應(yīng)后，采樣數(shù)據(jù)的有限集合{a1，a2， aN}便構(gòu)成了DMC算法中的預(yù)測(cè)模型參數(shù)。
3)反饋校正模塊12，用于用實(shí)際輸出誤差來修正由于模型誤差和擾動(dòng)所造成的系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值的偏差，最終確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值，其計(jì)算式為(3)
Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T-反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)-實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差。
h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)。
A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中，P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度。
4)滾動(dòng)優(yōu)化模塊13，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊11、反饋校正模塊12和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其計(jì)算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...)(4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子，實(shí)際操作中應(yīng)選取合適的值，α的值越大，系統(tǒng)地柔性越好，魯棒性越強(qiáng)，但控制地快速性卻差。
(2)選取合適的誤差加權(quán)矩陣Q，Q＝diag(q1，q2，...，qP)和控制加權(quán)矩陣R，R＝diag(r1，r2，...，rM)，實(shí)際操作中一般選Q為單位陣，R為充分小的數(shù)。
(3)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)
Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)]， (5)其中，diT＝(ATQA+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2) K yr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>5)二次曲線擬和模塊14(新加模塊)，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
6)控制輸出模塊，用于將計(jì)算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到空分塔。
7)人機(jī)界面模塊8，用于歷史數(shù)據(jù)及系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的顯示，以及控制系統(tǒng)參數(shù)選擇等的操作。
本實(shí)施例的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)連接圖如附圖3所示，系統(tǒng)采用上塔15頂部氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分Y1、上塔1底部液氧產(chǎn)品中氮的組分Xn為被控變量，下塔16至上塔14的液氧和液空的回流量、液氧產(chǎn)品的流量為相應(yīng)的控制變量。上塔14塔頂塔底分別連接一個(gè)溫度檢測(cè)元件TT和壓力檢測(cè)元件PT并傳遞到上層系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)矩陣控制器通過現(xiàn)場(chǎng)和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制變量值并傳遞給下層系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)通過流量控制器FC通過改變閥門開度來改變控制變量的值。
所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制方法按照如下步驟來實(shí)現(xiàn)1、系統(tǒng)初始化1)在動(dòng)態(tài)矩陣控制器6中設(shè)置好空分塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset、并設(shè)置DCS中的采樣周期。
2)通過階躍測(cè)試得到動(dòng)態(tài)矩陣控制算法所基于的非參數(shù)階躍模型。具體實(shí)施步驟如下(1)對(duì)搭建好的開環(huán)系統(tǒng)做階躍響應(yīng)得到如附圖4的階躍響應(yīng)曲線。
(2)確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在有限采樣周期后將趨于穩(wěn)態(tài)值即aN≈a(∞)，根據(jù)實(shí)際情況確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，N取的越大精度越高，但同時(shí)計(jì)算量越大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求越高，一般N取20～60。
(3)選取合適的控制器采樣時(shí)間T，T的選取應(yīng)使NT時(shí)刻過程響應(yīng)值已接近其穩(wěn)態(tài)值。
(4)在各采樣時(shí)間t＝T、2T、3T、...、NT可從DCS中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫里獲得一序列采樣值，它們可以用動(dòng)態(tài)系數(shù)a1，a2， aN來表示，(5)將其一般化為單位階躍響應(yīng)后，采樣數(shù)據(jù)的有限集合{a1，a2， aN}便構(gòu)成了DMC算法中的預(yù)測(cè)模型參數(shù)。
3)選擇合適的動(dòng)態(tài)矩陣控制器參數(shù)，包括柔性因子α，誤差加權(quán)矩陣Q，Q＝diag(q1，q2，...，qP)和控制加權(quán)矩陣R，R＝diag(r1，r2，...，rM)，反饋校正向量h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)。
2、系統(tǒng)的投運(yùn)。
1)每個(gè)DCS采樣時(shí)刻，智能儀表2檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)空分塔1的溫度、壓力數(shù)據(jù)并傳送到DCS歷史數(shù)據(jù)庫5中；2)每個(gè)控制器采樣時(shí)刻，動(dòng)態(tài)矩陣控制器6從DCS歷史數(shù)據(jù)庫5中讀取溫度和壓力數(shù)據(jù)，通過組分推斷模塊10計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻被控變量Y1，Xn的值，其算式為(1)、(2)
Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中P為上塔壓強(qiáng)，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)3)通過從組分推斷模塊10得到的Y1、Xn的值，通過反饋校正模塊12的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)值，其算式如下(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T-反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)-實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差。
h＝[h1，h2，L，yP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)。
A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度。
4)基于預(yù)測(cè)模型模塊11、反饋校正模塊12、動(dòng)態(tài)控制算法和二次曲線擬和模塊14，運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...) (4)yr(k)＝y(tǒng)(k)
其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子，實(shí)際操作中應(yīng)選取合適的值，α的值越大，系統(tǒng)地柔性越好，魯棒性越強(qiáng)，但控制地快速性卻差。
(2)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)] (5)其中diT＝(ATQ+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2) K yr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>(3)二次曲線擬和模塊14(新加模塊)，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
5)將結(jié)果送到各級(jí)系統(tǒng)的顯示模塊上進(jìn)行顯示，方便工程師及時(shí)對(duì)過程動(dòng)態(tài)做出反應(yīng)并給予操作，包括動(dòng)態(tài)矩陣控制器的人機(jī)界面模塊8、DCS系統(tǒng)操作站4和現(xiàn)場(chǎng)操作站。
實(shí)施例2參照?qǐng)D1～圖4，一種用所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，所述的控制方法包括以下步驟(1)確定空分塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)
Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂、塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過從組分推斷模塊得到的Y1、Xn的值，通過反饋校正模塊的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)值，其算式如下(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中，Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)，A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；(4)基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(4.1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，...) (4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中，yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(4.2)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)＝diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)] (5)其中，diT＝(ATQA+R)-1ATQ，Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>(5)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。
(6)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給空分塔。
控制方法還包括(7)、在所述的(4)(5)中計(jì)算控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的Y1、Xn的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫，DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4和歷史數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成，在所述(7)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過程狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，其特征在于所述的上位機(jī)為動(dòng)態(tài)矩陣控制器，所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器包括組分推斷控制部分和動(dòng)態(tài)矩陣控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊，包括溫度檢測(cè)元件和壓力檢測(cè)元件，用于檢測(cè)空分塔的上塔的溫度和壓力；I/O元件模塊，用于電信號(hào)、和數(shù)據(jù)信號(hào)在控制器內(nèi)部以及控制器與DCS之間的傳輸，組分推斷模塊，用于依據(jù)檢測(cè)得到的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂和塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制部分包括I/O元件模塊，用于動(dòng)態(tài)矩陣控制器的內(nèi)部及控制器與DCS之間的電信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；預(yù)測(cè)模型模塊，用于通過階躍測(cè)試得到動(dòng)態(tài)矩陣控制算法所基于的非參數(shù)階躍模型，具體實(shí)施步驟如下(1)對(duì)搭建好的開環(huán)系統(tǒng)做階躍響應(yīng)得到階躍響應(yīng)曲線。(2)確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在有限采樣周期后將趨于穩(wěn)態(tài)值即aN≈a(∞)，并確定模型時(shí)域長(zhǎng)度N，N取20～60；(3)選取合適的控制器采樣周期T，T的選取應(yīng)滿足NT時(shí)刻過程響應(yīng)值已接近其穩(wěn)態(tài)值；(4)在各采樣時(shí)間t＝T、2T、3T、…、NT從DCS中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫里獲得一序列采樣值，它們用動(dòng)態(tài)系數(shù)a1，a2， aN來表示；(5)將其一般化為單位階躍響應(yīng)后，采樣數(shù)據(jù)的有限集合 構(gòu)成DMC算法中的預(yù)測(cè)模型參數(shù)；反饋校正模塊，用于用實(shí)際輸出誤差來修正由于模型誤差和擾動(dòng)所造成的系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值的偏差，最終確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)值，其算式為(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)；A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中，P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；滾動(dòng)優(yōu)化模塊，用于基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，…)(4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(2)選取合適的誤差加權(quán)矩陣Q，Q＝diag(q1，q2，…，qP)和控制加權(quán)矩陣R，R＝diag(r1，r2，…，rM)；(3)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)=diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)]---(5)]]>其中diT=(ATQA+R)-1ATQ,]]>Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>二次曲線擬和模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值?？刂戚敵瞿K，用于將計(jì)算得到的R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到空分塔。
2.如權(quán)利要求1所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫。
3.如權(quán)利要求2所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)矩陣控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，其特征在于所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于將計(jì)算得到的控制變量R(k)，L(k)的值，以及檢測(cè)得到的Y1、Xn的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
5.一種用如權(quán)利要求1所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步驟(1)確定空分塔的雙組分設(shè)定值Y1set、Xnset，以及采樣周期T；(2)每個(gè)采樣時(shí)刻KT，依據(jù)檢測(cè)得到的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)推斷組分，其算式為(1)、(2)Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y1為空分塔中氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分，Xn為液氧產(chǎn)品中氮的組分，P為上塔壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂塔底溫度，α為相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為安托尼常數(shù)；(3)通過從組分推斷模塊得到的Y1、Xn的值，通過反饋校正模塊的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)值，其算式如下(3)Yp(k+1)＝Y(jié)m(k+1)+h[y(k)-ym(k)]＝AΔU(k)+A0U(k-1)+he(k)(3)式中，Yp(k+1)＝[yp(k+1)，yp(k+2)，L，yp(k+P)]T為反饋校正后的模型預(yù)測(cè)輸出矢量，e(k)＝y(tǒng)(k)-ym(k)為實(shí)測(cè)輸出y(k)和預(yù)測(cè)值ym(k)之差；h＝[h1，h2，L，hP]T，hj為對(duì)應(yīng)于第j步輸出的反饋校正系數(shù)，A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中P為預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度，M為控制時(shí)域長(zhǎng)度；(4)基于預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊和動(dòng)態(tài)控制算法運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，具體實(shí)施步驟如下(4.1)根據(jù)設(shè)定值，確定當(dāng)前時(shí)刻起的未來預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出參考軌跡，選取上采用如下的一階指數(shù)形式，其算式為(4)yr(k+i)＝αriy(k)+(1-αri)yset(i＝1，2，…)(4)yr(k)＝y(tǒng)(k)其中，yset為y的設(shè)定值，α為柔性因子；(4.2)運(yùn)算當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出，其算式如下(5)Δu(k+i-1)=diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)]---(5)]]>其中，diT=(ATQA+R)-1ATQ,]]>Yr(k+1)＝[yr(k+1)yr(k+2)Kyr(k+p)]T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>(5)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中得到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬和，得到產(chǎn)品氮?dú)庵械牡M分Y1關(guān)于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程Y1(k)＝a1×R(k)2，以及產(chǎn)品液氧中的氮組分Xn關(guān)于液氧產(chǎn)品的輸出流量L的二次方程Xn(k)＝a2×L(k)2，并通過二次方程直接將控制器輸出Δu換算成對(duì)應(yīng)的R(k)，L(k)值。(6)將R(k)，L(k)的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給空分塔。
6.如權(quán)利要求5所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，其特征在于所述的控制方法還包括(6)、在所述的(4)中計(jì)算了控制變量R(k)，L(k)的值，并將其以及檢測(cè)得到的Y1、Xn的值在控制器的人機(jī)界面上顯示。
7.如權(quán)利要求6所述的空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，在所述(6)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過程狀態(tài)。
全文摘要
一種空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)，智能儀表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)為動(dòng)態(tài)矩陣控制器，所述的動(dòng)態(tài)矩陣控制器包括組分推斷控制部分和動(dòng)態(tài)矩陣控制部分，所述的組分推斷控制部分包括檢測(cè)儀表模塊、I/O元件模塊以及組分推斷模塊，動(dòng)態(tài)矩陣控制部分包括I/O元件模塊、預(yù)測(cè)模型模塊、反饋校正模塊、滾動(dòng)優(yōu)化模塊以及控制輸出模塊。以及提供了一種用該空分塔的動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制方法。本發(fā)明能夠適應(yīng)空分操作的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性、和回路之間的耦合性，控制綜合效果好。
文檔編號(hào)B01D3/42GK101074841SQ20061015548
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者劉興高 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)