[发明专利]基于广义预测控制的精馏塔高纯度精馏控制系统及方法

摘要

一种基于广义预测控制的精馏塔高纯度精馏控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据存储装置及上位机，智能仪表、数据存储装置及上位机依次相连，上位机为广义预测控制器，所述的广义预测控制器包括组分推断控制部分和广义预测控制部分，组分推断控制部分包括检测仪表模块、I/O元件模块以及组分推断模块，广义预测控制部分包括I/O元件模块、预测模型模块、模型自校正模块、滚动优化模块以及控制输出模块。以及提供了一种用该空分塔的广义预测控制系统实现的控制方法。本发明能够适应空分操作的动态特性、强烈的非线性、和回路之间的耦合性，能够得到良好的控制效果。

主权项

1、一种基于广义预测控制的精馏塔高纯度精馏控制系统，包括与精馏塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据存储装置及上位机，智能仪表、数据存储装置及上位机依次相连，其特征在于：所述的上位机为广义预测控制器，所述的广义预测控制器包括组分推断控制部分和广义预测控制部分，所述的组分推断控制部分包括：检测仪表模块，包括温度检测元件和压力检测元件，用于检测精馏塔的上塔的温度和压力；I/O元件模块，用于电信号、和数据信号在控制器内部以及控制器与数据存储装置之间的传输，组分推断模块，用于依据检测得到的温度与压强数据推断组分，其算式为(1)、(2)：$X_D=\frac{\alpha }{\alpha -1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\alpha -1)P}---\left(1\right)$ $X_B=\frac{\mathrm{P\alpha }}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\alpha -1)}-\frac{1}{\alpha -1}---\left(2\right)$ 其中，XD、XB为高纯精馏塔两端的产品轻组分，P为塔压，T1、Tn分别为塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；所述的广义预测控制部分包括：I/O元件模块，用于广义预测控制器的内部及控制器与数据存储装置之间的电信号、数据信号的传输；预测模型模块，用于将DCS历史数据库或测试所得数据进行最小二乘拟和得到系统具有随机阶跃扰动非平稳噪声的离散差分方程模型，其算式为(3)；A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ε(k)/Δ (3)其中$A\left(z^{-1}\right)=1+\underset{i=1}{\overset{n_a}{\Sigma }}{a}_i{z}^{-i},B\left(z^{-1}\right)=\underset{i=0}{\overset{n_b}{\Sigma }}{b}_i{z}^{-i},$ Δ-差分算子，Δ＝1-z-1；模型自校正模块，用于采用具有遗忘因子的递推最小二乘算法，在线校正系统模型参数，具体步骤如下：(1)更新向量X(k-1)T＝[-Δy(k-1)，…，-Δy(k-na)，Δu(k-1)，…，Δu(k-nb-1)]；(2)读取y(k)并计算ε(k)＝Δy(k)-X(k-1)Tθ(k-1)；(3)运用具有遗忘因子的递归最小二乘算法得到θ(k)，其算式为(4)：$\theta \left(k\right)=\theta (k-1)+\frac{P(k-2)X(k-1)ϵ\left(k\right)}{\rho +X{(k-1)}^{T}P(k-2)X(k-1)}---\left(4\right)$ 其中，$P(k-1)=\frac{1}{\rho }[P(k-2)-\frac{P(k-2)X(k-1)X{(k-1)}^{T}P(k-2)}{\rho +X{(k-1)}^{T}P(k-2)X(k-1)}],$ P(-1)为足够大的正定矩阵，$\theta =[a_1,...,a_{n_a},b_0,...,b_{n_b}];$ (4)从θ(k)中提取原模型参数A(z-1)，B(z-1)，并计算A(z-1)＝A(z-1)Δ，B(z-1)＝B(z-1)Δ；滚动优化模块，用于基于预测模型模块、反馈校正模块和广义预测控制算法运算，求解控制量u(k)，具体算式如下(5)：Δu(k)＝d1 T[Yr(k+1)-F0ΔU(k-1)-SY(k)] ，u(k)＝u(k-1)+Δu(k) (5)d1 T为(GTQG+λ)-1GTQ的第i行矢量其中，Y(k)＝[y(k)y(k-1)Ly(k-na)]T，ΔU(k-1)＝[Δu(k-nb)Δu(k-nb+1)LΔu(k-1)]T 控制输出模块，用于将计算得到的u(k)的数据信号输出到精馏塔。