[發明專利]一種空分節能過程的非線性預測控制系統及方法

無效

• 申請號: 200910155562.2
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN101763037A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: 劉興高;周葉翔
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

1.一種空分節能過程的非線性預測控制系統，包括與空分塔直接連接 的現場智能儀表和DCS系統，所述DCS系統包括存儲裝置、控制站 和上位機，智能儀表與存儲裝置、控制站和上位機連接，其特征在于： 所述上位機包括用以滾動優化求解控制律，輸出控制變量值的非線性 預測控制器，所述的非線性預測控制器包括：

組分推斷模塊，用以根據獲取智能儀表檢測到的溫度，壓強數據計 算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計算式為(1)(2)：

Xi,N(k)=P(k)×αN×10(Ti(k)+cNbN-αN)-1αN-1---(1)]]>

Xi,O(k)=P(k)×αO×10(Ti(k)+cObO-αO)-1αO-1---(2)]]>

其中k為當前采樣時刻，X_i，N(k)為k采樣時刻空分塔上塔第i塊 塔板處氮的液相組分濃度，X_i，O(k)為k采樣時刻空分塔上塔第i塊 塔板處氧的液相組分濃度，P(k)為k采樣時刻上塔壓強，T_i(k)為 k時刻上塔第i塊塔板處的溫度，α_N、α_O分別為氮和氧相對于氬的相 對揮發度，a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O為安東尼常數；

模型參數自適應校正模塊，用以采用組分推斷模塊計算出的組分濃 度數據，在線擬合氮的液相組分濃度分布函數和氧的液相組分濃度分 布函數，并將擬合參數存儲到歷史數據庫當中，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為塔板編號，分別為第i塊塔板處氮和氧的預估液 相濃度，X_min，N、X_max，N、k_N、X_min，0、X_max，0、k₀為擬合參數，S_N，S_O為空分塔 組分濃度分布曲線的位置；

其次根據塔頂氣相流率和塔底液相流率的歷史數據擬合函數關系 如式(5)(6)：

V₁＝a_upP²???????????????(5)

L_n＝a_downq²?????????????(6)

其中V₁、L_n分別為塔頂汽相流率和塔底液相流率，a_up，a_down為擬合參 數，P為空分塔下塔壓強，q為空分塔進料熱狀況；

控制律滾動優化求解模塊，用以根據當前氮和氧的液相組分濃度數 據，模型函數和當前時刻操作變量值優化求解當前的控制變量的理想 值，滾動優化求解問題表述如式(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)xti,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)+1,i=1,2,...,n;j=N,O---(11)]]>

V₁(t)＝a_upP(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為當前采樣時刻，t_o、t_n分別為預測時域起點和終點，下角 標i為塔板編號，1為塔頂編號，n為塔底的編號，下角標j指代下角 標N或者O，其中N、O分別代表氮和氧，上角標f代表進料，F_i(k) 為k采樣時刻第i塊塔板進料流量，x^f_i，N(k)，x^f_i，O(k)分別為k采樣時刻 第i塊塔板的進料液氮組分濃度和進料液氧組分濃度，L_n(t)塔底液相 流率，V₁(t)為塔頂汽相流率，x_n，N(t)、x_n，O(t)分別為塔底液氮液氧的組分 濃度，y_1，N(t)、y_1，O(t)分別為塔頂氮和氧的汽相組分濃度，S_j(k)為空 分塔上塔液氮或者液氧濃度分布曲線位置，M為塔板持液量，X_1，N^*、 X_n，O^*分別為上塔塔頂氮的液相濃度設定值和塔底氧的液相濃度設定 值，K₁，K₂為目標函數加權系數根據對象特性進行調節，X_1，N(t_n)和 X_n，O(t_n)分別為預測時域終點t_n時刻上塔塔頂氮的液相組分濃度和塔 底氧的液相組分濃度預測值，q(t)，P(t)，分別為進料熱狀況和上塔壓強， x_i，j(t)、y_i，j(t)分別為第i塊塔板氮或氧的液相和汽相組分濃度， X_min，j.X_max，j.X_min，j.分別對應式(3)式(4)中的辨識參數，S_j(t₀).q(t₀).P(t₀) 分別為空分塔上塔組分濃度曲線位置，進料熱狀況，上塔壓強的優化 初值，分別空分塔上塔氮和氧的液相組分濃度曲線位置變化 速度。