專(zhuān)利名稱(chēng)：空分主塔的非線性控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分主塔的控制系統(tǒng)和方法設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別地，涉及一種空分主塔的 非線性控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
空分裝置是用來(lái)把空氣中的各組分氣體分離，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?？辗植僮魇且粋€(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(guò)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(wèn)題，對(duì)空分主塔操作的平穩(wěn)性要求很高，而高純精餾過(guò)程由于其所表現(xiàn)出來(lái) 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。當(dāng)今，空氣分離技術(shù)越來(lái)越朝專(zhuān)業(yè)化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，在保證最大收 益的前提下，努力降低能耗是這項(xiàng)技術(shù)面臨的主要工作。這也要求在實(shí)際工作中改善流程 控制方案，從而進(jìn)一步提高空氣分離的自動(dòng)化控制技術(shù)水平。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的空分主塔所具備的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，強(qiáng)烈的非線性和回路之間的 強(qiáng)耦合性，傳統(tǒng)的如PID及其它線性控制方案很難得到較好的控制效果的不足，本發(fā)明提 供一種能夠適應(yīng)空分主塔的動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)烈的非線性和回路之間的耦合性、并提供良好的 控制效果的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用 于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)，所述現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)依次相連，所述的 上位機(jī)包括用以運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻控制變量的輸出值的非線性 控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊，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)、 ⑵ 其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊，用于編寫(xiě)并儲(chǔ)存用微分方程描述的空分主塔機(jī)理模 型，并支持對(duì)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，求解如下非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題
一ft+tp目標(biāo)函數(shù)min/= {μγ}χ (e) + (ζ, χ, u) + ^J3 [Vumv ))d τ(5)
u(-)^t約束條件X&(t)= f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <u(T)<uubytg[t,t + Tc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，Tp和Τ。分別是預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過(guò)程 對(duì)象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時(shí)間，τ為暫態(tài)時(shí)間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過(guò)程模型，公式(4)是過(guò)程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時(shí)域，小于等于預(yù)測(cè)時(shí)域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過(guò)程微分變量的上下限。在每個(gè)采樣時(shí)刻，求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動(dòng)優(yōu)化；在線滾動(dòng)優(yōu)化，基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對(duì)控制變量u (t)進(jìn)行離散化， 將無(wú)限維問(wèn)題化為有限維問(wèn)題。然后通過(guò)調(diào)用定步長(zhǎng)顯式四階龍格_庫(kù)塔算法來(lái)求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個(gè)值為當(dāng)前時(shí)刻控制器的 輸出值。作為優(yōu)選的一種方案所述的非線性控制系統(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(kù)構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)一步，所述的非線性控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于過(guò)程歷史狀態(tài)及預(yù)測(cè)狀 態(tài)的顯示，以及控制器參數(shù)的選取、設(shè)定。一種空分主塔的非線性控制方法所述的控制方法包括以下步驟1)設(shè)定空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylsrt、Xnset,以及系統(tǒng)采樣周期；確定預(yù) 測(cè)時(shí)域Tn，和控制時(shí)域T。；2)設(shè)定非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊的過(guò)程狀態(tài)塔板數(shù)n，進(jìn)料塔板數(shù)f，氮組分的安 托尼常數(shù)a，b，c，進(jìn)料流率F，進(jìn)料組分Zf，塔板持液量等；通過(guò)運(yùn)用機(jī)理方程編寫(xiě)非線性微 分方程模型，得到以下近似過(guò)程模型描述x&(t) = f(x(t)，y(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，y(t)，u(t)，p)(4)其中，x&(t)為微分變量的一階導(dǎo)數(shù)，χ (t)為微分變量，y(t)為輸出變量，u(t)為 控制變量，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；3)確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T
4)每個(gè)采樣時(shí)刻，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)γ __10 ‘ C⑴
1 a-\ (a-\)PxXn= S^T(2)
10 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；5)控制器從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取X1和Xn的值作為輸入，采用改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方 法進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、 液氧產(chǎn)品流量以及過(guò)程的預(yù)測(cè)輸出；6)將運(yùn)算得到的控制變量值的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)娇辗种魉?duì)象。進(jìn)一步，所述非線性控制方法還包括7)將所述的步驟5)中計(jì)算得到的控制變量 以及檢測(cè)得到的實(shí)際組分歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)算中得到的過(guò)程的預(yù)測(cè)輸出在控制器的人機(jī)界面
上顯不。再進(jìn)一步，所述的數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)構(gòu)成，在所述步驟7)中，將數(shù)據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示 過(guò)程狀態(tài)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為，采用空分主塔的塔頂液氮產(chǎn)品中氮的組分Y1和塔底液氧產(chǎn) 品中氮的組分Xn為被控變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、液氧產(chǎn)品流量為相應(yīng)的控 制變量。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在非線性控制系統(tǒng)有效的解決了空分主塔的強(qiáng)非線性， 強(qiáng)耦合性以及復(fù)雜的過(guò)程動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空分主塔塔頂塔底雙組分的平穩(wěn)控制，另外采用 非線性控制系統(tǒng)也很大程度的優(yōu)化了過(guò)程的操作條件，較傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)以及其它基 于模型的控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)性能上有了很大的改進(jìn)，所以有非常大的應(yīng)用前景。
圖1是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)的硬件連接圖。圖2是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)的原理框圖。圖3是本發(fā)明所提出的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)連接圖。圖4是基于改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法的動(dòng)態(tài)優(yōu)化原理圖。
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 圖3，一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔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)庫(kù)及上位機(jī)6，智能儀表2、數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)6依 次相連。所述的上位機(jī)6為非線性控制器，所述的非線性控制器包括
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)、 ⑵ 其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊11，用于編寫(xiě)并儲(chǔ)存用微分方程描述的空分主塔機(jī)理模 型，并支持對(duì)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，如進(jìn)料組分，進(jìn)料流率等。該機(jī)理模型可以歸納 為 包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為P，其中x& (t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。并求解如下非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題 目標(biāo)函數(shù) 約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)
(4)uLB <w(r)<wra,Vre[i,i + rc](6)
(7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，??；和??；分別是預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過(guò)程 對(duì)象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時(shí)間，τ為暫態(tài)時(shí)間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過(guò)程模型，公式⑷是過(guò)程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時(shí)域，小于等于預(yù)測(cè)時(shí)域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過(guò)程微分變量的上下限，在每個(gè)采樣時(shí)刻，求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動(dòng)優(yōu)化；在線滾動(dòng)優(yōu)化，運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量。求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法。參照?qǐng)D4，改 進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對(duì)控制變量u (t)進(jìn)行離散化， 將無(wú)限維問(wèn)題化為有限維問(wèn)題。然后通過(guò)調(diào)用定步長(zhǎng)顯式四階龍格_庫(kù)塔算法來(lái)求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個(gè)值為當(dāng)前時(shí)刻控制變量的輸出值。所述非線性控制器還包括檢測(cè)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)空分主塔上塔兩端的溫度和壓力；I/O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；所述的非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊11還包括1/0模塊，用于非線性控制器的內(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。所述的非線性控制系統(tǒng)還包括DCS系統(tǒng)12，所述的DCS系統(tǒng)12由數(shù)據(jù)接口 3，控 制站4和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)5構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)5。所述的現(xiàn)場(chǎng)智能儀 表2、DCS系統(tǒng)12、非線性控制器6通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次連接。本實(shí)施例的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，所述的非線性控制 系統(tǒng)的核心為非線性控制器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 分主塔1、非線性控制器6，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下 達(dá)。非線性控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)得通過(guò)檢測(cè)或從歷史數(shù)據(jù)庫(kù)5中提取的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)運(yùn)算得到當(dāng) 前時(shí)刻控制變量的值，并返回給底層控制系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)做出反應(yīng)。本實(shí)施例的空分主塔的非線性控制器的原理框圖如附圖2所示，所述的非線性控 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)量滯后且具有較高的可靠性。_檢測(cè)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。I/O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)、 ⑵γ __10 ‘ C⑴
1 a-\ (a-\)PxΧη=Λα( ；^!(2)
10 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊11，用于運(yùn)用非線性模型預(yù)測(cè)控制算法得到實(shí)時(shí)的控制 變量的值。I/O模塊9，用于非線性控制器的內(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；如控制器從DCS的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取當(dāng)前狀態(tài)值，控制器將運(yùn)算得到的控制變量值 傳遞給底層控制回路。非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊11，用于編寫(xiě)并儲(chǔ)存用微分方程描述的空分主塔機(jī)理模 型，并支持對(duì)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，如進(jìn)料組分，進(jìn)料流率等。該機(jī)理模型可以歸納 為
x&(t) = f(x(t),z(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為P，其中x& (t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。并求解如下非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題
一ft+Tp目標(biāo)函數(shù) minJ=(e) + μ232 (ζ, χ, u) + ^J3 (Vumv ))d τ(5)
W(·)Jt約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <w(r)<wra,Vre[i,i + rc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，??；和??；分別是預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過(guò)程 對(duì)象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時(shí)間，τ為暫態(tài)時(shí)間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過(guò)程模型，公式(4)是過(guò)程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時(shí)域，小于等于預(yù)測(cè)時(shí)域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過(guò)程微分變量的上下限，在每個(gè)采樣時(shí)刻，求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動(dòng)優(yōu)化；在線滾動(dòng)優(yōu)化，運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量。求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法。參照?qǐng)D4，改 進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對(duì)控制變量u (t)進(jìn)行離散化， 將無(wú)限維問(wèn)題化為有限維問(wèn)題。然后通過(guò)調(diào)用定步長(zhǎng)顯式四階龍格_庫(kù)塔算法來(lái)求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個(gè)值為當(dāng)前時(shí)刻控制變量 的輸出值。所述的空分主塔的非線性控制器還包括人機(jī)界面模塊8，用于歷史數(shù)據(jù)和系統(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)施例的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)連接圖如附圖3所示，系統(tǒng)采用上塔 14頂部氮?dú)猱a(chǎn)品中氮的組分Y1、上塔14底部液氧產(chǎn)品中氮的組分Xn為被控變量，下塔15 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)，非線性控制器通過(guò) 現(xiàn)場(chǎng)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)流量控 制器FC通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變控制變量的值。實(shí)施例2參照?qǐng)D1 圖3，一種空分主塔的非線性控制方法，按照如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)第一部分，系統(tǒng)初始化1)在非線性控制器6中設(shè)置好空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylset,Xnsrt,以及系統(tǒng)采樣周期。2)設(shè)定非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊的過(guò)程狀態(tài)參數(shù)；通過(guò)運(yùn)用機(jī)理方程編寫(xiě)非線 性微分方程模型，可以得到以下近似過(guò)程模型描述x&(t) = f(x(t),z(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)包含兩種方程，微分方程組f，和代數(shù)方程組g，參數(shù)向量定義為p，其中x&(t)為微 分變量的一階導(dǎo)數(shù)，X為微分變量，Z為代數(shù)變量，U為控制變量。3)確定預(yù)測(cè)時(shí)域Tp，和控制時(shí)域Τ。。4)設(shè)置非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化模塊的優(yōu)化精度，以及改進(jìn)的變量參數(shù)化方法的分段數(shù)。第二部分系統(tǒng)的投運(yùn)1)每個(gè)DCS采樣時(shí)刻，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2檢測(cè)空分主塔1的溫度、壓力數(shù)據(jù)并傳送到 數(shù)據(jù)庫(kù)5中；2)確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T3)每個(gè)控制器采樣時(shí)刻，非線性控制器6從數(shù)據(jù)庫(kù)5中讀取溫度和壓力數(shù)據(jù)，通過(guò) 組分推斷模塊10計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻被控變量Y1, XnW值，其算式為(1)、(2)__10 ‘ C⑴
1 α-\ (α-\)ΡλΧη=Λα( ；^!(2)
10 b (α-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1 為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的 相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；4)基于從組分推斷模塊10得到的Y1, Xn的值，通過(guò)非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊11 的運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量的輸出值。具體運(yùn)算方法是運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算 得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量的值。求解如下非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題
一ft+Tp目標(biāo)函數(shù) minJ=(e) + μ232 (ζ, χ, u) + ^J3 (Vumv ))d τ(5)
W(·)Jt約束條件x&(t) = f(x(t)，z(t)，u(t)，p)(3)0 = g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4)uLB <u(T)<uUByTG[t,t + Tc](6)u(T) = u(t + Tc)yTG[t + Tc,t + Tp](7)xLB <x(T)<xUByTG[t,t + Tp](8)其中，Tp和Τ。分別是預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表 征將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過(guò)程 對(duì)象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，χ為微分變量，ζ為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變 量的變化量Vumv, μρ μ2、μ 3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時(shí)間，τ為暫態(tài)時(shí)間變量，X&(t)為微 分變量X的一階導(dǎo)數(shù)，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；
公式(3)是非線性過(guò)程模型，公式⑷是過(guò)程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的 上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時(shí)域，小于等于預(yù)測(cè)時(shí)域的區(qū)域 內(nèi)保持不變，公式(8)是過(guò)程微分變量的上下限。在每個(gè)采樣時(shí)刻，求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu) 化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動(dòng)優(yōu)化；求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化的具體方法為改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法。參照?qǐng)D4，改 進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對(duì)控制變量u (t)進(jìn)行離散化， 將無(wú)限維問(wèn)題化為有限維問(wèn)題。然后通過(guò)調(diào)用定步長(zhǎng)顯式四階龍格_庫(kù)塔算法來(lái)求解常微 分方程，并最后利用SQP算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個(gè)值為當(dāng)前時(shí)刻控制器的 輸出值。5)將當(dāng)前時(shí)刻控制器的數(shù)據(jù)信號(hào)返回給DCS系統(tǒng)，并作用于現(xiàn)場(chǎng)空分主塔。6)將結(jié)果送到各級(jí)系統(tǒng)的顯式模塊上進(jìn)行顯示，方便工程師及時(shí)對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)做出 反應(yīng)并予以操作，包括空分主塔的人機(jī)界面模塊8，DCS系統(tǒng)的控制站4和現(xiàn)場(chǎng)工作站。
權(quán)利要求
一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)，所述現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)依次相連，其特征在于所述的上位機(jī)包括用以運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻控制變量的輸出值的非線性控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊，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) <mrow><msub> <mi>Y</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>α</mi> <mrow><mi>α</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <msup><mn>10</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mfrac><mi>b</mi><mrow> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>c</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </msup> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>Xn</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>Pnα</mi> <mrow><msup> <mn>10</mn> <mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mi>c</mi> </mrow> <mi>b</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>α</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mi>α</mi><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，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1為上塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，T1、Tn分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對(duì)揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊，用于編寫(xiě)并儲(chǔ)存用微分方程描述的空分主塔機(jī)理模型，并支持對(duì)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，求解如下非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題目標(biāo)函數(shù) <mrow><munder> <mi>min</mi> <mrow><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>·</mo> <mo>)</mo></mrow> </mrow></munder><mi>J</mi><mo>=</mo><msubsup> <mo>∫</mo> <mi>t</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>μ</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>e</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>μ</mi><mn>2</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>,</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>u</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>μ</mi><mn>3</mn> </msub> <msub><mi>J</mi><mn>3</mn> </msub> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>Vu</mi> <mi>MV</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>dτ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>約束條件x&(t)＝f(x(t)，z(t)，u(t)，p) (3)0＝g(x(t)，z(t)，u(t)，p)(4) <mrow><msup> <mi>u</mi> <mi>LB</mi></msup><mo>≤</mo><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msup> <mi>u</mi> <mi>UB</mi></msup><mo>,</mo><mo>∀</mo><mi>τ</mi><mo>∈</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>c</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>T</mi><mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mo>∀</mo><mi>τ</mi><mo>∈</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>c</mi></msub><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <mi>x</mi> <mi>LB</mi></msup><mo>≤</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><msup> <mi>x</mi> <mi>UB</mi></msup><mo>,</mo><mo>∀</mo><mi>τ</mi><mo>∈</mo><mo>[</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，Tp和Tc分別是預(yù)測(cè)時(shí)域和控制時(shí)域，目標(biāo)值J由三部分組成，第一部分J1表征將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差值，e為將來(lái)預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)軌跡的偏差，J2表征于過(guò)程對(duì)象輸入輸出相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，x為微分變量，z為代數(shù)變量，u為控制變量，J3表征控制變量的變化量VuMV，μ1、μ2、μ3分別為權(quán)重系數(shù)，t為時(shí)間，τ為暫態(tài)時(shí)間變量，x&(t)為微分變量x的一階導(dǎo)數(shù)，p為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；公式(3)是非線性過(guò)程模型，公式(4)是過(guò)程的初始狀態(tài)，公式6)是控制變量的上下限約束，公式(7)假設(shè)控制變量的值在大于等于控制時(shí)域，小于等于預(yù)測(cè)時(shí)域的區(qū)域內(nèi)保持不變，公式(8)是過(guò)程微分變量的上下限，在每個(gè)采樣時(shí)刻，求解上述非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化命題，得到最優(yōu)的控制變量的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線滾動(dòng)優(yōu)化；在線滾動(dòng)優(yōu)化，基于傳統(tǒng)的控制變量參數(shù)化方法，對(duì)控制變量u(t)進(jìn)行離散化，將無(wú)限維問(wèn)題化為有限維問(wèn)題，然后通過(guò)調(diào)用定步長(zhǎng)顯式四階龍格-庫(kù)塔算法來(lái)求解常微分方程，并最后利用SQP算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，并取優(yōu)化結(jié)果中的第一個(gè)值為當(dāng)前時(shí)刻控制器的輸出值。
2.如權(quán)利要求1所述的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，其特征在于所述的非線性控制 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(kù)構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù) 庫(kù)為DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，其特征在于所述的非線性控制器還包括人機(jī)界面模塊，用于過(guò)程歷史狀態(tài)及預(yù)測(cè)狀態(tài)的顯示，以及控制器參數(shù)的選 取、設(shè)定。
4.一種用如權(quán)利要求1所述的空分主塔的非線性控制系統(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)設(shè)定空分主塔上塔產(chǎn)品的雙組分設(shè)定值Ylsrt、Xnset,以及系統(tǒng)采樣周期；確定預(yù)測(cè)時(shí) 域Tp，和控制時(shí)域T。；2)設(shè)定非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊的過(guò)程狀態(tài)塔板數(shù)η，進(jìn)料塔板數(shù)f，氮組分的安托尼 常數(shù)a，b，c，進(jìn)料流率F，進(jìn)料組分Zf，塔板持液量等；通過(guò)運(yùn)用機(jī)理方程編寫(xiě)非線性微分方 程模型，得到以下近似過(guò)程模型描述x&(t) = f(x(t), y(t),u(t),p)(3)0 = g(x(t)，y(t)，u(t)，p)(4)其中，x&(t)為微分變量的一階導(dǎo)數(shù)，χ (t)為微分變量，y(t)為輸出變量，u(t)為控制 變量，P為過(guò)程參數(shù)，f表示微分方程組，g表示代數(shù)方程組；3)確定當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)，系統(tǒng)輸出的理想軌跡Yr(k+1) = [Yr(k+1) Yr(k+2)L Yr(k+P)]T4)每個(gè)采樣時(shí)刻，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)η ι η ri+cγ a --⑴a-\ (a-VjPlXn = ^---—(2)n), a-lV 710 b (a-\)其中，Y1為上塔塔頂?shù)獨(dú)猱a(chǎn)品中的氮組分，Xn為上塔塔底液氧產(chǎn)品中的氮組分，P1為上 塔塔頂壓強(qiáng)，Pn為上塔塔底壓強(qiáng)，1\、1；分別為上塔塔頂、上塔塔底溫度，α為氮組分的相對(duì) 揮發(fā)度，a、b、c為氮組分的安托尼常數(shù)；5)控制器從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取Y1和Xn的值作為輸入，采用改進(jìn)的控制變量參數(shù)化方法進(jìn) 行非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解得到當(dāng)前時(shí)刻的控制變量，下塔至上塔的液氧和液空回流量、液氧 產(chǎn)品流量以及過(guò)程的預(yù)測(cè)輸出；6)將運(yùn)算得到的控制變量值的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)娇辗种魉?duì)象。
5.如權(quán)利要求4所述的非線性控制方法，其特征在于所述非線性控制方法還包括7)將所述的步驟5)中計(jì)算得到的控制變量以及檢測(cè)得到的實(shí)際組分歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)算 中得到的過(guò)程的預(yù)測(cè)輸出在控制器的人機(jī)界面上顯示。
6.如權(quán)利要求5所述的非線性控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)庫(kù)為DCS系統(tǒng)的歷 史數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)構(gòu)成，在所述步驟7)中，將數(shù) 據(jù)傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)。
全文摘要
一種空分主塔的非線性控制系統(tǒng)，包括與空分主塔直接連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、用于存放歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)，所述現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)包括用以運(yùn)用非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化在線運(yùn)算得到當(dāng)前時(shí)刻控制變量的輸出值的非線性控制器，所述的非線性控制器包括組分推斷模塊、非線性模型預(yù)測(cè)控制模塊。并提供了一種空分主塔的非線性控制方法。本發(fā)明較傳統(tǒng)PID等控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩端組分的平穩(wěn)操作，并且具有更好的動(dòng)態(tài)控制效果。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101881963SQ20101021372
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者劉興高, 王成裕 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)