專利名稱：一種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分節(jié)能過程的控制設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別地，涉及空分節(jié)能過程的非線性
預(yù)測控制設(shè)計(jì)及方法。
背景技術(shù)：
空分是對(duì)空氣進(jìn)行分離，得到氧、氮、氬等高純工業(yè)氣體的國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)，其 產(chǎn)品廣泛用于石油、化工、冶金、電子、能源、航空航天、食品飲料、醫(yī)療保健等各種工業(yè)領(lǐng) 域。而巨大的能量消耗一直為空分行業(yè)的瓶頸問題。 世界各國在空分過程的節(jié)能研究方面投入了大量的人力物力，在空分過程的過程 建模，先進(jìn)控制等方面作了大量研究。由于空分精餾過程的強(qiáng)非線性，耦合性等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特 性，傳統(tǒng)的PID控制，內(nèi)膜控制等已經(jīng)不能滿足要求，尤其在高純控制領(lǐng)域，這些控制方案 很難及時(shí)跟蹤設(shè)定值變化。而基于近似線性模型的預(yù)測控制方案雖然一定程度上改善了控 制效果，但是由于近似線性模型只能穩(wěn)定工作在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近，當(dāng)系統(tǒng)波動(dòng)幅度較大，則 控制系統(tǒng)效果出現(xiàn)明顯下降。事實(shí)表明建立空分節(jié)能過程的高效率，高精度的控制方案，已 經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵的空分節(jié)能技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有空分精餾過程的控制系統(tǒng)的跟蹤控制效果差、在線求解較慢、工作 效率低的不足，本發(fā)明提供一種能夠有效實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的跟蹤控制效果、具有很快的在線 求解速度、大大提升工作效率的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(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 —種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀 表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)，智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站 和上位機(jī)連接，所述上位機(jī)包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律，輸出控制變量值的非線性預(yù)測 控制器，所述的非線性預(yù)測控制器包括 組分推斷模塊，用以根據(jù)獲取智能儀表檢測到的溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔 的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(1) (2):，，)x"w"0 "ll (1)
X。ffi，)，10。^ (2) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，Xu(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相 組分濃度，Xi,。(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采 樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)，Ti (k)為k時(shí)刻上塔第i塊塔板處的溫度，a N、 a 。分別為氮和氧相對(duì)于氬 的相對(duì)揮發(fā)度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。為安東尼常數(shù)。
6
模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊，用以采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線 擬合氮的液相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史 數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，如式(3) (4) 《,
^"min,W +扁
(3)
-義
max"_min,(9
(4) 其中i為塔板編號(hào)，i^ ， i,，。分別為第i塊塔板處氮和氧的預(yù)估液相濃度，Xmi^、
Xmax,N、 kN、 Xmin,。、 Xmax,。、 k。為擬合參數(shù)，SN， S。為空分塔組分濃度分布曲線的位置。 其次根據(jù)塔頂氣相流率和塔底液相流率的歷史數(shù)據(jù)擬合函數(shù)關(guān)系如式(5) (6): Vi二aupP2 (5) Ln = adownq2 (6) 其中Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup， adOTn為擬合參數(shù)，P為空分 塔下塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況。 控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù) 和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如式 (7)至式(17):
,,尸)=&w-《,/ )2 + & (X ,0 (, ) - X 。* )2 ( 7 )
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(8)
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=Sj (k)j = N， 0 q(k) P(k)
/=1，2,..，"； 產(chǎn)iV,O (11)
(12) (13)
(14)
(15)
(16)
t0《t《tn (17)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t。、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，
1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)N或者0，其中N、 0分別代表氮和氧， 上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xf^(k)，xfi,。(k)分別為k采 樣時(shí)刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，Vjt) 為塔頂汽相流率，x^(t)、Xn,。(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，yu(t)、yu(t)分別為塔頂?shù)脱醯钠嘟M分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔 板持液量，Xl/、X。7分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，&， K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，Xu(tn)和Xn,。(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn 時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t) ， P(t)，分別為進(jìn)料 熱狀況和上塔壓強(qiáng)，Xi,j(t)、yi,j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度， 分別對(duì)應(yīng)式(3)式(4)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj(t。).q(t。).P(t。)分別為空分塔<formula>formula see original document page 8</formula>
上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，<formula>formula see original document page 8</formula>
分別空分塔上塔氮和
氧的液相組分濃度曲線位置變化速度。 作為優(yōu)選的一種方案所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期T， 控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)&， K2，上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值、/， Xn,。*，預(yù) 測時(shí)域長度tn，其中t。 = 0，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即空分塔上塔塔頂塔底液 相輕組分濃度的記錄曲線。 進(jìn)一步，所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所 述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接。 —種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制方法，所述的非線性預(yù)測控制方法包括以下 步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度aN、 a。，安東尼常數(shù) aw、bw、Cw、a。、b。、c。保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 2)根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值 、/， Xn,二控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)Kp K2和預(yù)測時(shí)域長度k，其中t。 = O，并將設(shè)定參數(shù) 保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 3)從歷史數(shù)據(jù)庫中獲取塔頂汽相流量、塔底液相流量、進(jìn)料熱狀況、上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù) 記錄，擬合經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系如式(5) (6)
V丄=aupP2 (1)
Ln = ad。TOq2 (2) 其中Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup， adOTn為擬合參數(shù)，P為空分 塔下塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況。 4)檢測k采樣時(shí)刻時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P (k)，各塔板溫度1\ (k)，計(jì)算液氮液氧的組分濃 度值，計(jì)算式如式(1) (2):
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，Xi,N(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相 組分濃度，Uk)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采 樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻上塔各塊塔板處的溫度，a,、a。分別為氮和氧相對(duì)于 氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。為安東尼常數(shù)；
5)采用歷史數(shù)據(jù)庫中k采樣時(shí)刻組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參 數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(5)式(6):
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
<formula>formula see original document page 9</formula>(6)
X,，。分別為第i塊塔板處氮的預(yù)估液相濃度和氧的預(yù)估
,，k。，為擬合參數(shù)，SN， S。為空分塔組分濃度分布曲線的 其中i為塔板編號(hào)，《j，
液相f農(nóng)度，Xmin,N， X隨,n， kN， Xmin,0， X邁
位置； 6)根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)前時(shí)刻操作變量值，步驟3)的經(jīng)驗(yàn)函 數(shù)和步驟5)中的模型函數(shù)優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如 式(7)至式(17):
mm
,尸 必,
(7)
必
M(X,w《)一v"))
(8)
o —
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maxjA min，乂.兀,,(0 =





(9)<formula>formula see original document page 9</formula>
(10)<formula>formula see original document page 9</formula>(11)
(12)<formula>formula see original document page 9</formula> (13)<formula>formula see original document page 9</formula>
(14)<formula>formula see original document page 9</formula>(15)<formula>formula see original document page 9</formula>(16)<formula>formula see original document page 9</formula>(17)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t。、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，
1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)N或者0，其中N、 0分別代表氮和氧， 上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xf^(k)，xfi,。(k)分別為k采 樣時(shí)刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，Vjt) 為塔頂汽相流率，x^(t)、Xn,。(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，yu(t)、yu(t)分別為 塔頂?shù)脱醯钠嘟M分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔 板持液量，Xl/、X。7分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，&， K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，Xu(tn)和Xn,。(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn 時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t) ， P(t)，分別為進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)，Xi,j(t)、yi,j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度，
Xmin,j.Xmax,j.Xmin,j.分別對(duì)應(yīng)式(5)式(6)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj (t。) . q (t。) . P (t。)分別為空分塔
上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，,,分別空分塔上塔氮和
必 說
氧的液相組分濃度曲線位置變化速度； 7)將優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)值作為下一時(shí)刻控制變量值，輸送至 DCS系統(tǒng)中的控制站。 作為優(yōu)選的一種方案在所述步驟6)中，所述滾動(dòng)優(yōu)化求解問題包含以下解決步 驟 ①設(shè)置控制變量及進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)初值，狀態(tài)變量SN、 S。初值； ②采用四階龍格庫塔法在時(shí)間區(qū)域[t。， tn]上求解狀態(tài)變量SN、 S。； ③通過模型函數(shù)求解各塔板處氮和氧的液相組分濃度，并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值； ④采用牛頓法判斷目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到最優(yōu)條件，如果沒有達(dá)到條件則選擇新的控
制變量值并返回步驟②，如果達(dá)到最優(yōu)判定條件則滾動(dòng)優(yōu)化求解結(jié)束。 進(jìn)一步，所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所 述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接；其中控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯 示空分節(jié)能過程的工作狀態(tài)。 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、非線性預(yù)測控制系統(tǒng)有效改進(jìn)了傳統(tǒng)基于線性 辨識(shí)模型的常規(guī)預(yù)測控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的跟蹤控制效果；2、非線性預(yù)測控制系統(tǒng) 的滾動(dòng)優(yōu)化環(huán)節(jié)由于采用了簡化的動(dòng)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。


圖1是本發(fā)明所提出的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是上位機(jī)非線性預(yù)測控制器實(shí)現(xiàn)方法的原理圖。
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。
實(shí)施例1 參照?qǐng)D1和圖2， 一種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)包括與空分塔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(chǔ)裝置4、控制站5及上位機(jī)6，其中 智能儀表2與存儲(chǔ)裝置4、控制站5和上位機(jī)6連接，上位機(jī)6包括用以實(shí)現(xiàn)非線性預(yù)測控 制器功能，滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律，輸出控制變量值的非線性預(yù)測控制器，所述的非線性預(yù)測 控制器包括組分推斷模塊9，模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊IO，控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊11。
所述的組分推斷模塊9，其特征在于上位機(jī)6獲取智能儀表2檢測到的溫度，壓強(qiáng) 數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(1) (2): x ,順x"wxl0
10<formula>formula see original document page 11</formula>
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，X^(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相 組分濃度，Uk)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采 樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)，1\ (k)為k時(shí)刻上塔第i塊塔板處的溫度，a N、 a 。分別為氮和氧相對(duì)于氬 的相對(duì)揮發(fā)度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。為安東尼常數(shù)。 模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊IO采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬 合氮的液相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù) 據(jù)庫當(dāng)中，如式(3) (4)<formula>formula see original document page 11</formula>
其中i為塔板編號(hào)，i,，w ，A,。分別為第i塊塔板處氮和氧的預(yù)估液相濃度，X^,w、
Xmax,N、 kN、 Xmin,。、 Xmax,。、 k。為擬合參數(shù)，SN， S。為空分塔組分濃度分布曲線的位置。 其次根據(jù)塔頂氣相流率和塔底液相流率的歷史數(shù)據(jù)擬合函數(shù)關(guān)系如式(5) (6): V丄=aupP2 (5) Ln = adownq2 (6) 其中V Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup， adOTn為擬合參數(shù)，P為空分 塔下塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況。 所述的控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊11根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，模型 函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如 式(7)至式(17):
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11
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t0《t《tn (17) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t。、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)， 1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)N或者0，其中N、 0分別代表氮和氧， 上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xf^(k)，xfi,。(k)分別為k采 樣時(shí)刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，Vjt) 為塔頂汽相流率，x^(t)、Xn,。(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，yu(t)、yu(t)分別為 塔頂?shù)脱醯钠嘟M分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔 板持液量，Xl/、X。7分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，&， K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，Xu(tn)和Xn,。(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn 時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t) ， P(t)，分別為進(jìn)料 熱狀況和上塔壓強(qiáng)，Xi,j(t)、yi,j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度，
Xmin,j.Xmax,j.Xmin,j.分別對(duì)應(yīng)式(3)式(4)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj (t。) . q (t。) . P (t。)分別為空分塔 上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，,,分別空分塔上塔氮和 氧的液相組分濃度曲線位置變化速度。 所述的上位機(jī)包括人機(jī)界面模塊12，用于設(shè)定采樣周期T，控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán) 系數(shù)K" 1(2，上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值、/， Xn,。 預(yù)測時(shí)域長度tn(t。= 0)，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即空分塔上塔塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲 線。空分塔1與智能儀表2連接，智能儀表2與數(shù)據(jù)接口 3連接，數(shù)據(jù)接口 3與現(xiàn)場總線連 接，現(xiàn)場總線與上位機(jī)6、存儲(chǔ)裝置4和控制站5連接，其中控制站5可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫， 顯示空分節(jié)能工作過程狀態(tài)。
實(shí)施例2 參照?qǐng)D1和圖2，所述的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制方法，其特征在于所述的 控制方法包括以下步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度a,、a。，安東尼常數(shù) aw、bw、Cw、a。、b。、c。保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 2)根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值 、/， Xn,二控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)&， K2和預(yù)測時(shí)域長度tn(t。 = 0)，并將設(shè)定參數(shù)保存 在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 3)從歷史數(shù)據(jù)庫中獲取塔頂汽相流量、塔底液相流量、進(jìn)料熱狀況、上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù) 記錄，擬合經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系如式(5) (6)
V丄=aupP2 (1)
Ln = adownq2 (2) 其中Vp Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup， adOTn為擬合參數(shù)，P為空分 塔下塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況。 4)檢測k采樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P (k)，各塔板溫度1\ (k)，計(jì)算液氮液氧的組分濃度 值，計(jì)算式如式(1) (2):[o"o]
<formula>formula see original document page 13</formula>
<formula>formula see original document page 13</formula>
(3)<formula>formula see original document page 13</formula>(4) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，Xu(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相 組分濃度，Uk)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采 樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻上塔各塊塔板處的溫度，a,、a。分別為氮和氧相對(duì)于 氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。為安東尼常數(shù)。 5)采用歷史數(shù)據(jù)庫中k采樣時(shí)刻組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參 數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(5)式(6):
<formula>formula see original document page 13</formula>(5)<formula>formula see original document page 13</formula>(6)
<formula>formula see original document page 13</formula> 其中i為塔板編號(hào)，A，w ， i,，。分別為第i塊塔板處氮的預(yù)估液相濃度和氧的預(yù)估 液相濃度，Xmin,N， Xmax,N， kN， Xmin,。， Xmax,。， k。，為擬合參數(shù)，SN， S。為空分塔組分濃度分布曲線的 6)根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)前時(shí)刻操作變量值，步驟3)的經(jīng)驗(yàn)函 數(shù)和步驟5)中的模型函數(shù)優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如 式(7)至式(17): <formula>formula see original document page 13</formula>
<formula>formula see original document page 13</formula><formula>formula see original document page 13</formula>
(7)
<formula>formula see original document page 13</formula>(8)
<formula>formula see original document page 13</formula>(9)
(10)Vjt) = aupP(t)2(12)Ln(t) = adownq(t)2(13)Sj(t。) = Sj(k)j = N，O(14)q(t。) = q(k)(15)P(t0) =P(k)(16)t0《t《tn(17)
1,2,
(11)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t。、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)， 1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)N或者0，其中N、 0分別代表氮和氧， 上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xf^(k)，xfi,。(k)分別為k采 樣時(shí)刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，Vjt) 為塔頂汽相流率，x^(t)、Xn,。(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，yu(t)、yu(t)分別為 塔頂?shù)脱醯钠嘟M分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔 板持液量，Xl/、X。7分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，&， K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，Xu(tn)和Xn,。(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn 時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t) ， P(t)，分別為進(jìn)料 熱狀況和上塔壓強(qiáng)，Xi,j(t)、yi,j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度， Xmin, j、 Xmax, j. Xmin, j.分別對(duì)應(yīng)式(3)式(4)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj(t。)q(t。).P(t。)分別為空分塔
上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，,,分別空分塔上塔氮和 氧的液相組分濃度曲線位置變化速度。 7)將優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)值作為下一時(shí)刻控制變量值，輸送至 DCS系統(tǒng)中的控制站5 所述步驟6)中，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題包含以下解決步驟 ①設(shè)置控制變量及進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)初值，狀態(tài)變量SN、 S。初值； ②采用四階龍格庫塔法在時(shí)間區(qū)域[t。， tn]上求解狀態(tài)變量SN、 S。； ③通過模型函數(shù)求解各塔板處氮和氧的液相組分濃度，并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值； ④采用牛頓法判斷目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到最優(yōu)條件，如果沒有達(dá)到條件則選擇新的控
制變量值并返回步驟②，如果達(dá)到最優(yōu)判定條件則滾動(dòng)優(yōu)化求解結(jié)束。 空分塔1與智能儀表2連接，智能儀表2與數(shù)據(jù)接口 3連接，數(shù)據(jù)接口 3與現(xiàn)場總 線連接，現(xiàn)場總線與上位機(jī)6、存儲(chǔ)裝置4和控制站5連接。 所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)裝置4，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口 3，存 儲(chǔ)裝置4，控制站5，其中控制站5可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示空分節(jié)能過程的工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
一種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)，智能儀表與存儲(chǔ)裝置、控制站和上位機(jī)連接，其特征在于所述上位機(jī)包括用以滾動(dòng)優(yōu)化求解控制律，輸出控制變量值的非線性預(yù)測控制器，所述的非線性預(yù)測控制器包括組分推斷模塊，用以根據(jù)獲取智能儀表檢測到的溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(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> 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</mrow>其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，Xi，N(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采樣時(shí)刻上塔壓強(qiáng)，Ti(k)為k時(shí)刻上塔第i塊塔板處的溫度，αN、αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cn、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)；模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊，用以采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合氮的液相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)，并將擬合參數(shù)存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，如式(3)(4) <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> 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(5)Ln＝adownq2(6)其中V1、Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup，adown為擬合參數(shù)，P為空分塔下塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況；控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊，用以根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，模型函數(shù)和當(dāng)前時(shí)刻操作變量值優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如式(7)至式(17) <mrow><munder> <mi>min</mi> <mrow><mi>q</mi><mo>,</mo><mi>p</mi> </mrow></munder><mi>J</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>q</mi> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>N</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msup> <msub><mi>X</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi></mrow> </msub> <mo>*</mo></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>X</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>O</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msup> <msub><mi>X</mi><mrow> 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</mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&alpha;</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo><mo>,</mo><mi>n</mi><mo>;</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mo>,</mo><mi>O</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>V1(t)＝aup P(t)2 (12)Ln(t)＝adownq(t)2(13)Sj(t0)＝Sj(k)j＝N，O (14)q(t0)＝q(k) (15)P(t0)＝P(k) (16)t0≤t≤tn(17)其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，to、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)N或者O，其中N、O分別代表氮和氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為k采樣時(shí)刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，V1(t)為塔頂汽相流率xn，N(t)、xn，O(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(t)、y1，O(t)分別為塔頂?shù)脱醯钠嘟M分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔板持液量，X1，N*、Xn，O*分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，K1，K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，X1，N(tn)和Xn，O(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t)，P(t)，分別為進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)，xi，j(t)、yi，j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度，Xmin，j.Xmax，j.Xmin，j.分別對(duì)應(yīng)式(3)式(4)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj(t0).q(t0).P(t0)分別為空分塔上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，分別空分塔上塔氮和氧的液相組分濃度曲線位置變化速度。F2009101555622C00015.tif,F2009101555622C00031.tif
2. 如權(quán)利要求1所述的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期T，控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)K" K2，上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值Xu Xn,。 預(yù)測時(shí)域長度k，其中t。 = O，并顯示控制器的輸出曲線和被控變量即空分塔上塔塔頂塔底液相輕組分濃度的記錄曲線。
3. 如權(quán)利要求1所述的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn) 場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置 及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的非線性預(yù)測控制方法，其特征在于所述的非線性預(yù)測控制方法包括以下步驟1) 確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度aN、 a。，安東尼常數(shù) 、 b,、c,、a。、b。、c。保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；2) 根據(jù)控制要求和對(duì)象特性設(shè)定上塔塔頂塔底氮氧的液相輕組分濃度設(shè)定值Xu Xn,。*、控制律目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)Kp1^和預(yù)測時(shí)域長度k，其中t。 = O，并將設(shè)定參數(shù)保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；3) 從歷史數(shù)據(jù)庫中獲取塔頂汽相流量、塔底液相流量、進(jìn)料熱狀況、上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù)記 錄，擬合經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系如式(5) (6)V丄=aupP2 (1) Ln = 薩q (2)其中V Ln分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，aup， adOTn為擬合參數(shù)，P為空分塔下 塔壓強(qiáng)，q為空分塔進(jìn)料熱狀況；4) 檢測k采樣時(shí)刻時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P (k)，各塔板溫度1\ (k)，計(jì)算液氮液氧的組分濃度 值，計(jì)算式如式(1) (2):<formula>formula see original document page 4</formula>1(4)其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，Xu(k)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氮的液相組分 濃度，Uk)為k采樣時(shí)刻空分塔上塔第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采樣時(shí) 刻上塔壓強(qiáng)，Ti(k)為k采樣時(shí)刻上塔各塊塔板處的溫度，a,、a。分別為氮和氧相對(duì)于氬的 相對(duì)揮發(fā)度，aN、 bN、 cN、 a。、 b。、 c。為安東尼常數(shù)；5)采用歷史數(shù)據(jù)庫中k采樣時(shí)刻組分濃度數(shù)據(jù)，在線擬合模型函數(shù)，并將擬合參數(shù)存 儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，擬合函數(shù)如式(5)式(6):<formula>formula see original document page 4</formula>(6)其中i為塔板編號(hào)，x,, ， f,，。分別為第i塊塔板處氮的預(yù)估液相濃度和氧的預(yù)估液相濃度，Xmin,N， Xmax,N， KN， Xmin,。， Xmax,。， K。，為擬合參數(shù)，SN， S。為空分塔組分濃度分布曲線的位 置；6)根據(jù)當(dāng)前氮和氧的液相組分濃度數(shù)據(jù)，當(dāng)前時(shí)刻操作變量值，步驟3)的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)和 步驟5)中的模型函數(shù)優(yōu)化求解當(dāng)前的控制變量的理想值，滾動(dòng)優(yōu)化求解問題表述如式(7) 至式(17):<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，t。、tn分別為預(yù)測時(shí)域起點(diǎn)和終點(diǎn)，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)j指代下角標(biāo)n或者0，其中n、 0分別代表氮和氧，上角 標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為k采樣時(shí)刻第i塊塔板進(jìn)料流量，xf^(k)，xfi,。(k)分別為k采樣時(shí) 刻第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，Ln(t)塔底液相流率，Vjt)為塔頂 汽相流率，xn,N(t) 、xn,。(t)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，yi,N(t) 、yi,。(t)分別為塔頂?shù)?和氧的汽相組分濃度，Sj(k)為空分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔板持液 量，、/、Xn丫分別為上塔塔頂?shù)囊合酀舛仍O(shè)定值和塔底氧的液相濃度設(shè)定值，Kn K2為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，Xu(tn)和Xn,。(tn)分別為預(yù)測時(shí)域終點(diǎn)tn時(shí)刻上塔塔頂?shù)囊合嘟M分濃度和塔底氧的液相組分濃度預(yù)測值，q(t) ， P(t)，分別為進(jìn)料熱狀況 和上塔壓強(qiáng)，& j (t) 、 yi, j (t)分別為第i i央塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度，L j. j. L j.分 別對(duì)應(yīng)式(5)式(6)中的辨識(shí)參數(shù)，Sj(t。).q(t。).P(t。)分別為空分塔上塔組分濃度曲線位置，進(jìn)料熱狀況，上塔壓強(qiáng)的優(yōu)化初值，,,分別空分塔上塔氮和氧的液相組分濃度曲線位置變化速度；7)將優(yōu)化求解出的進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)值作為下一時(shí)刻控制變量值，輸送至DCS系 統(tǒng)中的控制站。
5. 如權(quán)利要求4所述的非線性預(yù)測控制方法，其特征在于在所述步驟6)中，所述滾 動(dòng)優(yōu)化求解問題包含以下解決步驟① 設(shè)置控制變量及進(jìn)料熱狀況和上塔壓強(qiáng)初值，狀態(tài)變量SN、 S。初值；② 采用四階龍格庫塔法在時(shí)間區(qū)域[t。， tn]上求解狀態(tài)變量SN、 S。；③ 通過模型函數(shù)求解各塔板處氮和氧的液相組分濃度，并計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值；④ 采用牛頓法判斷目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到最優(yōu)條件，如果沒有達(dá)到條件則選擇新的控制變 量值并返回步驟②，如果達(dá)到最優(yōu)判定條件則滾動(dòng)優(yōu)化求解結(jié)束。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的非線性預(yù)測控制方法，其特征在于所述的現(xiàn)場智能儀表 與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與 現(xiàn)場總線連接；其中控制站可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示空分節(jié)能過程的工作狀態(tài)。
全文摘要
一種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置，控制站及上位機(jī)，智能儀表與存儲(chǔ)裝置，控制站和上位機(jī)連接，所述的上位機(jī)包括用以優(yōu)化求解控制律輸出操作變量值的非線性預(yù)測控制器功能，所述的非線性預(yù)測控制器包括，組分推斷模塊，模型參數(shù)自適應(yīng)校正模塊和控制律滾動(dòng)優(yōu)化求解模塊。本發(fā)明也提供了一種空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制方法。本發(fā)明提供一種能夠有效實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的跟蹤控制效果、具有很快的在線求解速度、大大提升工作效率的空分節(jié)能過程的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)及方法。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101763037SQ20091015556
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)