一种空分节能过程的高纯控制系统及方法

摘要

一种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分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，智能仪表与存储装置，控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以求解控制律并输出操作变量值的控制器，所述控制器包括组分推断模块、模型参数自适应校正模块和高纯控制律求解模块。也提供了一种空分节能过程的高纯控制方法。本发明提供一种能够及时抑制干扰、较好地处理耦合问题、跟踪性能良好、效率高、精度高的空分节能过程的高纯控制系统及方法。

主权项

1.一种空分节能过程的高纯控制系统，包括与空分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，其中智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，其特征在于：所述上位机包括用以求解高纯控制律并输出控制变量值的控制器，所述控制器包括：组分推断模块，用以根据获取的智能仪表检测到的温度，压强数据计算空分塔上塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1)(2)：$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P\left(k\right)\times {\alpha }_N\times {10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\alpha }_N-1}---\left(1\right)$$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P\left(k\right)\times {\alpha }_O\times {10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\alpha }_O-1}---\left(2\right)$其中k为当前采样时刻，X_i，N(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，X_i，O(k)为k采样时刻空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P(k)为k采样时刻空分塔上塔压强，T_i(k)为k采样时刻空分塔上塔各块塔板处的温度，α_N，α_O分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O为安东尼常数；模型参数自适应校正模块，用以采用组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合氮和氧的液相组分浓度分布函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，如式(3)(4)(5)(6)${\hat{X}}_{i,N}=X_{\min ,N}+\frac{X_{\max ,N}-X_{\min ,N}}{{1+e}^{{-k}_N(i-S_N)}}---\left(3\right)$${\hat{X}}_{i,O}=X_{\min ,O}+\frac{X_{\max ,O}-X_{\min ,O}}{{1+e}^{{-k}_O(i-S_O)}}---\left(4\right)$S_n＝β_NP²                  (5)S_O＝β_Oq²                  (6)其中i为塔板编号，分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度和氧的预估液相浓度，X_min，N，X_max，N，K_N，X_min，0，X_max，0，K₀，β_N，β₀为拟合参数，S_N，S₀为空分塔组分浓度分布曲线的位置，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况；高纯控制率求解模块，用以根据当前氮和氧的液相组分浓度数据，模型函数和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，求解控制律代数方程组如式(7)至式(12)$y_{1,N}\left(k\right)=\frac{{\alpha }_N{x}_{1,N}\left(k\right)}{({\alpha }_N-1)x_{1,N}\left(k\right)+1}---\left(7\right)$$y_{1,O}\left(k\right)=\frac{{\alpha }_O{x}_{1,O}\left(k\right)}{({\alpha }_O-1)x_{1,O}\left(k\right)+1}---\left(8\right)$S_N(k)＝β_N(P(k)+ΔP(k))²         (9)S_O(k)＝β_O(q(k)+Δq(k))²         (10)$\frac{{-V}_1\left(k\right)y_{1,N}\left(k\right)-L_n\left(k\right)x_{n,N}\left(k\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i\left(k\right){x^f}_{i,N}\left(k\right)}{M(x_{n,N}\left(k\right)-x_{1,N}\left(k\right))}---\left(11\right)$$=K_1({X_{1,N}}^{*}-X_{1,N}\left(k\right))+K_2\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}({X_{1,N}}^{*}-X_{1,N}\left(i\right))T$$\frac{{-V}_1\left(k\right)y_{1,O}\left(k\right)-L_n\left(k\right)x_{n,O}\left(k\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i\left(k\right){x^f}_{i,O}\left(k\right)}{M(x_{n,O}\left(k\right)-x_{1,O}\left(k\right))}---\left(12\right)$$=K_3({X_{n,O}}^{*}-X_{n,O}\left(k\right))+K_4\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}({X_{n,O}}^{*}-X_{n,O}\left(i\right))T$其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标N、O分别代表氮和氧，上角标f代表进料，F_i(k)为第i块塔板进料流量，L_n(k)塔底液相流率，V₁(k)分别为塔顶气相流率，x_n，N(k)、x_n，O(k0分别为塔底液氮液氧的组分浓度，y_1，N(k)、y_1，O(k)分别为塔顶汽氮汽氧组分浓度，x^f_i，N(k)，x^f_i，O(k)分别为第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，X_1，N^*，X_n，O^*分别为上塔塔顶氮汽液相浓度设定值和塔底氧汽液相浓度设定值，K₁，K₂，K₃，K₄为控制律参数根据对象特性进行调节，X_1，N(i)X_n，O(i)分别为i时刻上塔塔顶氮的液相组分浓度和塔底氧的液相组分浓度，Δq(k)，ΔP(k)分别为当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和精馏段压强的当前理想改变值。