[发明专利]一种空分节能过程的非线性预测控制系统及方法

摘要

一种空分节能过程的非线性预测控制系统，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，控制站及上位机，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优化求解控制律输出操作变量值的非线性预测控制器功能，所述的非线性预测控制器包括，组分推断模块，模型参数自适应校正模块和控制律滚动优化求解模块。本发明也提供了一种空分节能过程的非线性预测控制方法。本发明提供一种能够有效实现高准确率的跟踪控制效果、具有很快的在线求解速度、大大提升工作效率的空分节能过程的非线性预测控制系统及方法。

主权项

1.一种空分节能过程的非线性预测控制系统，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，其特征在于：所述上位机包括用以滚动优化求解控制律，输出控制变量值的非线性预测控制器，所述的非线性预测控制器包括：组分推断模块，用以根据获取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)：Xi,N(k)=P(k)×αN×10(Ti(k)+cNbN-aN)-1αN-1---(1)]]>Xi,O(k)=P(k)×αO×10(Ti(k)+cObO-aO)-1αO-1---(2)]]>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采样时刻上塔压强，T_i(k)为k时刻上塔第i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，在线拟合氮的液相组分浓度分布函数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)X^i,N=Xmin,N+Xmax,N-Xmin,N1+e-kN(i-SN)---(3)]]>X^i,O=Xmin,O+Xmax,O-Xmin,O1+e-kO(i-SO)---(4)]]>其中i为塔板编号，分别为第i块塔板处氮和氧的预估液相浓度，X_min，N、X_max，N、K_N、X_min，0、X_max，0、K₀为拟合参数，S_N，S₀为空分塔组分浓度分布曲线的位置；其次根据塔顶气相流率和塔底液相流率的历史数据拟合函数关系如式(5)(6)：V₁＝a_upP²                          (5)L_n＝a_downq²                        (6)其中V₁、L_n分别为塔顶汽相流率和塔底液相流率，a_up，a_down为拟合参数，P为空分塔下塔压强，q为空分塔进料热状况；控制律滚动优化求解模块，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优化求解当前的控制变量的理想值，滚动优化求解问题表述如式(7)至式(17)：minq,pJ(q,p)=K1(X1,N(tn)-X1,N*)2+K2(Xn,O(tn)-Xn,O*)2---(7)]]>s.t.dSNdt=-V1(t)y1,N(t)-Ln(t)xn,N(t)+Σi=1nFi(k)xfi,N(k)M(xn,N(t)-x1,N(t))---(8)]]>dSOdt=-V1(t)y1,O(t)-Ln(t)xn,O(t)+Σi=1nFi(k)xfi,O(k)M(xn,O(t)-x1,O(t))---(9)]]>Xi,j(t)=Xmin,j+Xmax,j-Xmin,j1+e-kj(i-Sj(t))i=1,2,···,n;j=N,O---(10)]]>yi,j(t)=αjxi,j(t)(αj-1)xi,j(t)+1i=1,2,···,n;j=N,O---(11)]]>V₁(t)＝a_up P(t)²                     (12)L_n(t)＝a_downq(t)²                    (13)S_j(t₀)＝S_j(k)j＝N，O                 (14)q(t₀)＝q(k)                          (15)P(t₀)＝P(k)                          (16)t₀≤t≤t_n                            (17)其中k为当前采样时刻，t_o、t_n分别为预测时域起点和终点，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j指代下角标N或者O，其中N、O分别代表氮和氧，上角标f代表进料，F_i(k)为k采样时刻第i块塔板进料流量，x^f_i，N(k)，x^f_i，O(k)分别为k采样时刻第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，L_n(t)塔底液相流率，V₁(t)为塔顶汽相流率x_n，N(t)、x_n，O(t)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，y_1，N(t)、y_1，O(t)分别为塔顶氮和氧的汽相组分浓度，S_j(k)为空分塔上塔液氮或者液氧浓度分布曲线位置，M为塔板持液量，X_1，N^*、X_n，O^*分别为上塔塔顶氮的液相浓度设定值和塔底氧的液相浓度设定值，K₁，K₂为目标函数加权系数根据对象特性进行调节，X_1，N(t_n)和X_n，O(t_n)分别为预测时域终点t_n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预测值，q(t)，P(t)，分别为进料热状况和上塔压强，x_i，j(t)、y_i，j(t)分别为第i块塔板氮或氧的液相和汽相组分浓度，X_min，j.X_max，j.X_min，j.分别对应式(3)式(4)中的辨识参数，S_j(t₀).q(t₀).P(t₀)分别为空分塔上塔组分浓度曲线位置，进料热状况，上塔压强的优化初值，分别空分塔上塔氮和氧的液相组分浓度曲线位置变化速度。