[发明专利]用于蒸馏的模型预测控制

说明书

技术领域

本发明涉及通过模型预测控制来控制蒸馏塔或其他系统的方法。更特定地，本发明涉及这样的方法，其中转化蒸馏塔的顶部部分内的由控制器利用的温度以获得对具有由于多个稳态温度曲线导致的不稳定性的塔内的回流添加的更积极(agressive)的操纵。另外，本发明涉及也用于与蒸馏塔不同的系统中的方法，其中在控制器内利用某些操纵变量作为前馈变量，以允许简化的控制器调整。

背景技术

模型预测控制系统已知为“MPC”，它用于控制多种工业过程。一般地讲，模型预测控制器基于独立变量和非独立变量运行。独立变量是可以通过操作者或控制器改变或移动的操纵变量，例如阀位置的设定或用于(流动、温度、压力等)的设定点，且对待控制的过程或系统具有显著影响的前馈或扰动变量尚不能直接操纵。非独立变量是具有可根据特定的独立变量改变完全地描述或预测的值的被控变量。

模型预测控制器以阶跃响应模型编程，该阶跃响应模型示出每个被控变量如何响应给定的独立变量的改变。这些模型用于基于被控变量、操纵变量和前馈变量的过去历史来预测被控变量的将来行为。预测用于计算用于操纵变量的合适的控制动作。以从过程中测量到的信息将模型预测不断更新，以提供用于模型预测控制器的反馈机制。

操作模型预测控制器的模型包括收集阶跃响应模型，其基于操纵变量或前馈变量的单位移动和在这样的移动后使被控变量到达稳态所需的时间将被控变量与操纵变量和前馈变量相关联。在控制器运行期间，数据被维持，这记录了操纵变量的先前值、被控变量的预测值和被控变量的实际值。在控制器的每次执行时，将数据更新，且数据用于确定预测误差，该预测误差可以作为到控制器的反馈应用于模型预测。

利用操纵变量的当前值确定了开环响应，该响应是如果不输入进一步控制输入时在预测水平上获得的响应。随后，预测了一组操纵变量的优化移动，以获得闭环响应，闭环响应将导致被控变量到在实践中设定在范围内的目标值。然后将包含在移动计划中的控制器移动的第一个传递到局部控制器，局部控制器起作用以控制系统内的装备，例如流动控制器。这样的局部控制器可以是比例积分微分控制器，它例如用于控制阀促动器。前述过程在控制器的每次执行期间重复。

模型预测控制系统已用于控制具有蒸馏塔的空气分离设备。在蒸馏塔中，将待分离或分馏的多成分进料在这样的条件下引入到蒸馏塔内，在该条件中，待分离的混合物的上升的蒸汽相与其下降的相接触，接触的方式使得蒸汽相当上升时变得更富集混合物中的轻的或更挥发的成分，且液体向在下降时变得更富集混合物中的更重的或不易挥发的成分。此接触由可以是结构化的或随机的填料或筛盘的质量传递元件提供。

某些类型的蒸馏塔设计为产生高纯度和超高纯度的产品，即产品具有大于大致99.99％体积百分比的纯度。这样的塔对于液体/蒸汽比特别地敏感且可能具有多个稳态温度曲线，这些稳态温度曲线将基于在塔内上升的蒸汽量和引入到塔的热量而从一个曲线迅速地改变到另一个曲线。作为结果，在由进料组成改变导致的扰动情况期间，可能难于控制塔内的液体与蒸汽比且因此难于控制产品纯度。

控制的另一个更一般性问题是，模型预测控制器当与某些类型的系统联合使用时可能非常难于调整，这些系统可能包括蒸馏塔。难度因多变量系统产生，在该多变量系统中，两个或更多操纵变量的每个的移动影响了两个或更多共同被控变量的值。例如，在蒸馏塔情况中，回流流动控制阀位置可以在模型预测控制系统中表现为将影响塔的顶部部分以及塔的底部部分内的温度的一个操纵变量。一般地讲，添加回流趋向于对整个塔冷却。可以通过控制到塔的进料内的蒸汽量的阀来控制蒸馏塔内的蒸汽流量。相同的阀可以称为控制热添加，因为在这样的系统中的蒸汽馏分可以通过控制蒸发的液体量来控制。这样的阀的位置可以在模型预测控制器中通过另一个操纵变量表示，该操纵变量也对蒸馏塔的顶部部分和底部部分内的温度具有影响。在这样的情况下，控制器的调整变成费时的且困难的问题。

如将讨论，本发明在一个方面中涉及通过模型预测控制来控制蒸馏塔的方法，其中控制器能在一定温度水平下更积极地起反应，以防止产品从要求的产品纯度偏离。在另一个方面中，阶跃响应模型更有效地用于允许更容易地调整控制器。

发明内容