[发明专利]一种内部热耦合精馏过程的非线性预测控制系统及方法

摘要

一种内部热耦合精馏过程的非线性预测控制系统，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，现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机连接，上位机包括用以滚动优化求解控制律并输出控制变量值的非线性预测控制器，非线性预测控制器包括：组分推断模块，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能精馏塔各块塔板的组分浓度；模型参数自适应校正拟合模块，用以采用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数；控制律滚动优化求解模块，用以根据当前组分浓度数据，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。以及提供一种非线性预测控制方法，本发明控制效果良好、控制品质理想。

主权项

1.一种内部热耦合精馏过程的非线性预测控制系统，其特征在于：所述非线性预测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、控制站和上位机连接，所述的上位机包括用以滚动优化求解控制律并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，用以从智能仪表获取温度，压强数据，计算高效节能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，计算式为(1)(2)：Xi(k)=Pr(k)×α×10Ti(k)+cb-a-1α-1,i=1,2,······,f-1---(1)]]>Xi(k)=Ps(k)×α×10Ti(k)+cb-a-1α-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，l为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，X_i为液相轻组分浓度，P_r(k)为k采样时刻精馏段压强、P_s提馏段压强，T_i(k)为k采样时刻塔内各块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；模型参数自适应校正拟合模块，用以采用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线拟合模型函数，并将拟合参数存储到历史数据库当中，拟合函数如式(3)(4)：X^i=Xmin,r+Xmax,r-Xmin,r1+e-kr(i-Sr),i=1,2,······,f-1---(3)]]>X^i=Xmin,r+Xmax,r-Xmin,r1+e-kr(i-Sr),i=f,f+1,······,n---(4)]]>其中为第i块塔板处液相组分浓度预估浓度，X_min，r，X_max，r，k_r，X_min，s，X_max，s，k_s为拟合参数，S_r，S_s分别为高效节能精馏塔精馏段、提馏段液相组分浓度分布的位置；控制律滚动优化求解模块，用以根据当前组分浓度数据，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(5)至式(17)：minq(t),Pr(t)K1(X1*-X1(t))2+K2(Xn*-Xn(t))2---(5)]]>约束条件：dSrdt=Vf(t)Yf(t)-Lf-1(t)Xf-1(t)-V1(t)Y1(t)HXf-1(t)---(6)]]>dSsdt=-Vf(t)Yf(t)-Ln(t)Xn(t)+Lf-1(t)Xf-1(t)+FZfH(Xf-1(t)-Xn(t))---(7)]]>Yi(t)=αXi(t)(α-1)Xi(t)+1,i=1,2,······,n---(8)]]>Qi(t)=UA×b(1a-ln{Pr(t)/[Xi(t)+(1-Xi(t))/α]},i=1,2,······,f-1---(9)]]>-1a-ln{ps/[Xi+f-1(t)+(1-Xi+f-1(t))/α]})]]>V_l(t)＝F(1-q(t))    (10)L_n(t)＝Fq(t)    (11)Lf-1(t)=Σi=1f-1Qi(t)λ---(12)]]>V_f(t)＝V_l(t)+L_f-1(t)    (13)S_j(t₀)＝S_j(k)j＝r，s    (14)q(t₀)＝q(k)    (15)P_r(t₀)＝P(k)    (16)t₀≤t≤t_n    (17)其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，l为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标j代表r或者s，下角标r和s分别代表精馏段和提馏段，t_o、t_n分别为预测时域起点和终点，λ为汽化潜热常数，X_i(t)、Y_i(t)分别为第i块塔板轻组分液相轻组分浓度和汽相轻组分浓度，Q_i(t)为第i对塔板之间的热耦合量，UA为传热速率，X_i+f-1(t)为第i+f-1块塔板液相轻组分浓度，q(t)为进料热状况，P_r(t)为精馏段压强，F为进料流率，Z_f为进料组分浓度，V_l(t)，V_f(t)分别为塔顶和进料板处的汽相流率，L_f-1(t)，L_n(t)分别第f-1块塔板和塔底的液相流率，H为持液量，X_f-1(t)，X_n(t)分别第f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度，Y_l(t)，Y_f(t)分别塔顶和进料板处的汽相轻组分浓度，K1，K2为控制律参数，X_l^*，X_n^*分别为塔顶塔底液相轻组分浓度设定值，q(k)，Pr(k)分别为k采样时刻的进料热状况和精馏段压强值，S_j(k)为k采样时刻的精馏段或提馏段液相组分浓度分布的位置，q(t₀)，Pr(t₀)分别为预测时域起始时刻即t₀时刻的进料热状况和精馏段压强值，S_j(t₀)为t₀时刻的精馏段或提馏段液相组分浓度分布的位置；分别为精馏段或提馏段液相组分浓度分布的位置变化速度，X_l(t_n)，X_n(t_n)分别为预测时域终点即t_n时刻的塔顶塔底液相轻组分浓度。