一种内部热耦合精馏塔的高纯非线性控制系统及方法

摘要

一种内部热耦合精馏塔的高纯非线性控制系统，包括与内部热耦合精馏塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，所述现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机相连，所述的上位机包括用以计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的高纯非线性控制器，所述高纯非线性控制器包括组分推断模块、参考轨迹计算模块和高纯非线性控制律求解模块。本发明也提供了一种内部热耦合精馏塔的高纯非线性控制方法。本发明提供的控制系统及方法能够很好地处理高纯热耦合节能精馏的强非线性特征，具有高效的在线运算速度，并具有非常好的伺服跟踪控制效果，干扰抑制效果。

主权项

一种内部热耦合精馏塔的高纯非线性控制系统，包括与内部热耦合精馏塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置、控制站和上位机，所述现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机相连，其特征在于：所述的上位机包括用以计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的高纯非线性控制器，所述高纯非线性控制器包括：组分推断模块，用以从现场智能仪表获取温度，压强数据，计算内部热耦合精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，采用式(1)(2)得到： X i ( k ) = P r ( k ) × α × 10 T i ( k ) + c b - a - 1 α - 1 i＝1，2，……，f‑1                                       (1) X i ( k ) = P s × α × 10 T i ( k ) + c b - a - 1 α - 1 i＝f，f+1，……，n                                       (2)其中，k为当前采样时刻，下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi(k)为k采样时刻第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr(k)为k采样时刻精馏段压强、Ps提馏段压强，Ti(k)为k采样时刻第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；参考轨迹计算模块，用以实现拐点位置设定值的在线更新，采用式(3)(4)得到： S r * = 1 + 1 k r ln ( X max , r - Y 1 * / [ α - ( α - 1 ) Y 1 * ] Y 1 * / [ α - ( α - 1 ) Y 1 * ] - X min , r ) i＝1，2，……，f‑1                                   (3) S s * = n + 1 k s ln ( X max , s - Y n * Y n * - X min , s ) i＝f，f+1，……，n                                   (4)其中，Xmin，r，Xmax，r，kr，Xmin，s，Xmax，s，ks为模型参数，Y1*，Xn*分别为塔顶的汽相轻组分浓度Y1、塔底的液相轻组分浓度Xn的设定值，Sr*，Ss*分别为内部热耦合精馏塔精馏段，提馏段拐点位置参考轨迹；高纯非线性控制律求解模块，用以根据当前组分浓度数据，参考轨迹和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，采用式(5)‑(12)得到： Y i ( k ) = α X i ( k ) ( α - 1 ) X i ( k ) + 1 i＝1，2，……，n                                        (5) Q i ( k ) = UA × b ( 1 a - ln { ( P r ( k ) + ΔPr ( k ) × t ) / [ X i ( k ) + ( 1 - X i ( k ) ) / α ] } i＝1，2，……，f‑1                                      (6) - 1 a - ln { p S / [ X i + f - 1 ( k ) + ( 1 - X i + f - 1 ( k ) ) / α ] } ) V1(k)＝F(1‑q(k)‑Δq(k)×t)                          (7)Ln(k)＝F(q(k)+Δq(k)×t)                            (8) L f - 1 ( k ) = Σ i = 1 f - 1 Q i ( k ) λ - - - ( 9 ) Vf(k)＝V1(k)+Lf‑1(k)                                (10) V 2 ( k ) Y 2 ( k ) - L 1 ( k ) X 1 ( k ) - V 1 ( k ) Y 1 ( k ) H ( X 1 ( k ) - X 2 ( k ) ) (11) = K 1 ( S r * - S r ( k ) ) + K 2 Σ i = 1 k ( S r * - S r ( i ) ) t - V n ( k ) Y n ( k ) - L n ( k ) X n ( k ) + L n - 1 ( k ) X n - 1 ( k ) H ( X n - 1 ( k ) - X n ( k ) ) (12) = K 3 ( S s * - S s ( k ) ) + K 4 Σ i = 1 k ( S s * - S s ( i ) ) t 其中，k为当前采样时刻，t为采样周期，Xi(k)、Yi(k)分别为k采样时刻第i块塔板的液相轻组分浓度和汽相轻组分浓度，Qi(k)为第i块塔板之间的热耦合量，UA为传热速率，Xi+f‑1(k)为k采样时刻第i+f‑1块塔板液相轻组分浓度，q(k)为k采样时刻进料热状况，Pr(k)为当k采样时刻精馏段压强，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1(k)、Vf(k)、Vn(k)分别为k采样时刻塔顶、进料板和塔底的汽相流率，L1(k)、Lf‑1(k)、Ln‑1(k)、Ln(k)分别为k采样时刻塔顶、第f‑1块塔板、第n‑1块塔板和塔底的液相流率，H为持液量，λ为汽化潜热，X1(k)、X2(k)、Xn‑1(k)、Xn(k)分别为k采样时刻塔顶、第2块塔板、第n‑1块塔板和塔底的液相轻组分浓度，Y1(k)、T2(k)、Yn(k)分别为k采样时刻塔顶、第n‑1块塔板和塔底的汽相轻组分浓度，K1，K2，K3，K4为控制律参数，Sr*，Ss*分别为精馏段提馏段拐点参考轨迹，Sr(k)、Sr(i)分别为k和i采样时刻内部热耦合精馏塔精馏段液相组分浓度分布的位置，Ss(k)、Ss(i)分别为k和i采样时刻内部热耦合精馏塔提馏段液相组分浓度分布的位置，Δq(k)、ΔPr(k)分别为当前时刻内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值。