CN101017050A - 空分塔的一般模型控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种空分塔的一般模型控制系统，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，所述的上位机为一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括组分推断控制部分和一般模型控制部分，所述的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，一般模型控制部分包括I/O元件模块、二次曲线拟和模块、一般模型控制运算模块以及控制输出模块。以及提供了一种用该空分塔的一般模型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。

Description

空分塔的一般模型控制系统及方法

(一)技术领域

本发明涉及空分塔的控制系统和方法设计领域，特别地，涉及一种空分塔的一般模型控制系统及方法。

(二)背景技术

空分装置就是对空分进行分离，并得到氧、氮、氩等高纯工业气体的装置。它是众多关系国民经济命脉的产业的支持性单元操作，如化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料等，属于国家重大设备，其发展规模与技术状况是衡量一个国家的工业和科技发展水平的一个重要标志。

空分操作是一个涉及低温、多设备、长流程、操作复杂、安全生产要求很高的一个复杂过程。生产中，氧、氮、氩产品的纯度往往要求高达99％以上，属于高纯精馏控制问题，对空分塔操作的平稳性要求很高，而高纯精馏过程由于其所表现出来的复杂的动态特性、强烈的非线性、和回路之间的耦合性，传统的如PID等线性控制方案很难对其得到较好的控制效果。

(三)发明内容

为了克服已有的空分塔控制方案的不能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、不能得到良好的控制效果的不足，本发明提供一种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的空分塔的一般模型控制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空分塔的一般模型控制系统，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，所述的上位机为一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括组分推断控制部分和一般模型控制部分，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，用于检测空分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DCS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)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

所述的一般模型控制部分包括：I/O元件模块，用于一般模型控制器的内部及控制器与DCS之间的电信号、数据信号的传输；二次曲线拟和模块，用于对数据存储装置中得到的历史数据进行二次曲线拟和，得到产品氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；一般模型控制运算模块，用于通过组分推断部分得到的Y₁与Xn值，计算出当前控制变量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧产品的输出流量L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{Y_1}\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right)\right)+k_2\mathrm{\Σ}(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1\left(k\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{X_n}\left(k\right)K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

                          (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与X_n的设定值；控制输出模块，用于将计算得到的R(k)，L(k)的数据信号输出到空分塔。

作为优选的一种方案：所述的一般模型控制系统还包括DCS系统，所述的DCS系统由数据接口、控制站和历史数据库构成，所述的数据存储装置为DCS系统的历史数据库。

作为优选的另一种方案：所述的现场智能仪表、DCS系统、一般模型控制器通过现场总线依次连接

作为优选的再一种方案：所述的一般模型控制器还包括人机界面模块，用于将计算得到的控制变量R(k)，L(k)的值，以及检测得到的Y₁、X_n的值在控制器的人机界面上显示。

一种用所述的空分塔的一般模型控制系统实现的控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：

(1)确定空分塔的双组分设定值Y_1set、X_nset，以及采样周期T；

(2)在设定值周围做阶跃测试后，从数据存储装置中得到历史数据，通过二次

曲线拟和模块得到，氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量

R的二次方程：  Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分X_n关于液氧

产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；

(3)每个采样时刻KT，依据检测得到的温度和压强数据推断组分，其算式为

(1)、(2)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

(4)控制器从数据存储装置中读取Y₁和Xn的值作为输入，运算控制变量R，

L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{\·}{Y_1}\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

                         (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；

(5)将R(k)，L(k)的数据信号返回给空分塔。

作为优选的一种方案：所述的控制方法还包括：(6)、在所述的(4)中计算了控制变量R(k)，L(k)的值，并将其以及检测得到的Y₁、Xn的值在控制器的人机界面上显示。

作为优选的另一种方案：所述的数据存储装置为DCS系统的历史数据库，所述的DCS系统由数据接口、控制站和历史数据库构成，在所述(6)中，将数据传给DCS系统，并在DCS的控制站显示过程状态。

本发明的技术构思为：采用氮气产品中氮的组分Y₁、液氧产品中氮的组分Xn为被控变量，下塔至上塔的液氧和液空的回流量、液氧产品的流量为相应的控制变量。

推断控制部分，用于解决工业现场产品组分不能被直接测量的难题，相对于在线应用工业色谱仪的办法，可以大大消除测量滞后且具有相对较强的可靠性。一般模型控制部分，用于运用一般模型控制算法得到实时的控制变量的值。

一般模型控制系统有效的解决了空分塔在高纯下强非线性的问题，实现了对高纯精馏过程塔顶塔底双组分控制的平稳操作，并且具有了较快速的无偏差特性，较传统的PID控制系统在动态性能上有很大的改进，所以有非常大的应用前景。

选择合适的一般模型控制器参数K1和K2。附图4是一般模型控制器参数K1、K2的选取参照图，它是系统：

$\frac{x}{x^{*}}=\frac{2\mathrm{\τ\ξs}+1}{{\mathrm{\τ}}^2{s}^2+2\mathrm{\τ\ξs}+1}$

类似于经典的二阶系统的x/x^*关于t/τ的标准阶跃响应曲线。

具体选取步骤如下：

1)根据所需要的理想动态特性曲线从附图4中选出合适的ξ。

2)通过选择该ξ下的动态性能指标来计算出τ值。

3)根据式 $\mathrm{\τ}=\frac{1}{\sqrt{k_2}},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{k_1}{2\sqrt{k_2}}$ 的反解计算K₁，K₂。

本发明的有益效果主要表现在：1、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，实现了对高纯精馏过程塔顶塔底双组分控制的平稳操作；2、能够得到良好的控制效果。

(四)附图说明

图1是本发明所提出的空分塔的一般模型控制系统的硬件连接图。

图2是本发明一般模型控制器的原理框图。

图3是本发明所提出的空分塔的一般模型控制系统现场连接图。

图4是一般模型控制器参数K1、K2选取参照图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例1

参照图1～图4，一种空分塔的一般模型控制系统，包括与空分塔1直接连接的现场智能仪表2、用于存放历史数据的数据存储装置及上位机6，智能仪表2、数据存储装置及上位机6依次相连，所述的上位机6为一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括组分推断控制部分和一般模型控制部分，所述的组分推断控制部分包括：检测仪表模块7，包括温度检测元件和压力检测元件，用于检测空分塔的上塔的温度和压力；I/O元件模块9，用于电信号、和数据信号在控制器内部以及控制器与DCS之间的传输，组分推断模块10，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)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

所述的一般模型控制部分11包括：I/O元件模块，用于一般模型控制器的内部及控制器与DCS之间的电信号、数据信号的传输；二次曲线拟和模块，用于对数据存储装置中得到的历史数据进行二次曲线拟和，得到产品氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；一般模型控制运算模块，用于通过组分推断部分得到的Y₁与Xn值，计算出当前控制变量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧产品的输出流量L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\frac{(1-T\×K_1)\×{\stackrel{\·}{Y}}_1\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

                         (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；控制输出模块，用于将计算得到的R(k)，L(k)的数据信号输出到空分塔。

所述的一般模型控制系统还包括DCS系统12，所述的DCS系统12由数据接口3、控制站4和历史数据库5构成，所述的数据存储装置为DCS系统的历史数据库5。所述的现场智能仪表2、DCS系统、一般模型控制器6通过现场总线依次连接。

参照图1，本实施例的空分塔的一般模型控制系统，包括与现场空分塔1相连的现场智能仪表2、DCS系统以及一般模型控制器6，所述的DCS系统由数据接口3、控制站4和历史数据库5构成；现场空分塔对象1、智能仪表2、DCS系统、一般模型控制器6通过现场总线依次连接。

本实施例的空分塔的一般模型控制系统硬件结构图如附图1所示，所述的一般模型控制系统的核心为一般模型控制器6，此外还包括：现场智能仪表2，DCS系统和现场总线。现场空分塔1、智能仪表2、DCS系统、一般模型控制器6通过现场总线依次相连，实现信息的上传下达。一般模型控制系统及时通过检测到的和从历史数据库5中提取的工业现场数据得到当前时刻的控制变量的值，并返回给底层系统，及时对系统动态做出反应。

本实施例的空分塔的一般模型控制器的原理框图如附图2所示，所述的空分塔的一般模型控制器包括：

推断控制部分，用于解决工业现场产品组分不能被直接测量的难题，相对于在线应用工业色谱仪的办法，可以大大消除测量滞后且具有相对较强的可靠性。

1)检测仪表模块7：包括温度检测元件，可采用热电偶式温度变送器，和压

力检测元件，可采用压阻式变送器。

2)I/O元件模块9：用于电信号、和数据信号在控制器内部以及控制器与DCS

之间的传输。

3)组分推断模块10：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)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

一般模型控制部分11，用于运用一般模型控制算法得到实时的控制变量的值。

1)I/O元件：用于一般模型控制的内部及控制器与DCS之间的电信号、数据信号的传输。

2)二次曲线拟和模块，用于对测试或DCS历史数据库中得到的数据进行二次曲线拟和，从而得到产品氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²

3)一般模型控制运算模块，用于通过组分推断部分得到的Y₁与Xn值，计算出当前控制变量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧产品的输出流量L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×{\stackrel{\·}{Y}}_1\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(K\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

                         (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值。

所述的空分塔的一般模型控制器还包括人机界面模块8，用于历史数据及系统当前状态的显示，以及控制系统参数选择等的操作。

本实施例的空分塔的一般模型控制系统现场连接图如附图3所示，系统采用上塔14顶部氮气产品中氮的组分Y₁、上塔1底部液氧产品中氮的组分Xn为被控变量，下塔15至上塔14的液氧和液空的回流量、液氧产品的流量为相应的控制变量。上塔14塔顶塔底分别连接一个温度检测元件TT和压力检测元件PT并传递到上层系统，一般模型控制器通过现场和历史数据库的数据计算当前时刻的控制变量值并传递给下层系统，现场通过流量控制器FC通过改变阀门开度来改变控制变量的值。

所述的空分塔的一般模型控制方法按照如下步骤来实现：

1、系统初始化

(1)在一般模型控制器6中设置好空分塔的双组分设定值Y_1set、X_nset、采样周期T、并设置DCS中的采样周期。

(2)在设定值周围做开环阶跃测试后从DCS历史数据库5中得到历史数据(或直接从历史数据库5中得到)，通过二次曲线拟和模块得到，氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：

X_n(k)＝a₂×L(k)²。

(3)选择合适的一般模型控制器6参数K1和K2。

附图4是一般模型控制器参数K1、K2的选取参照图，它是系统：

$\frac{x}{x^{*}}=\frac{2\mathrm{\τ\ξs}+1}{{\mathrm{\τ}}^2{s}^2+2\mathrm{\τ\ξs}+1}$

类似于经典的二阶系统的x/x^*关于t/τ的标准阶跃响应曲线。

具体选取步骤如下：

1)根据所需要的理想动态特性曲线从附图4中选出合适的ξ。

2)通过选择该ξ下的动态性能指标来计算出τ值。

3)根据式 $\mathrm{\τ}=\frac{1}{\sqrt{k_2}},$ $\mathrm{\ξ}=\frac{k_1}{2\sqrt{k_2}}$ 的反解计算K₁，K₂。

2、系统的投运。

(1)每个DCS采样时刻，智能仪表2检测现场空分塔1的温度、压力数据并传送到DCS历史数据库5中；

(2)每个控制器采样时刻，一般模型控制器6从DCS历史数据库5中读取温度和压力数据，通过组分推断模块10计算出当前时刻被控变量Y₁，Xn的值，其算式为(1)、(2)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

(3)通过从组分推断模块10得到的Y₁、Xn的值，通过一般模型控制模块11的运算得到当前时刻的控制变量R、L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{Y_1}\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{.}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right)\right)+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{mset}}-X_n\left(k\right))}}\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

                         (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；

(4)将R(k)，L(k)的数据信号返回给DCS系统，并作用于空分塔。

(5)将结果送到各级系统的显示模块上进行显示，方便工程师及时对过程动态作出反应并给予操作，包括一般模型控制器的人机界面模块8、DCS系统

操作站4和现场操作站。

实施例2

参照图1～图4，一种用所述的空分塔的一般模型控制系统实现的控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：

(1)确定空分塔的双组分设定值Y_1set、X_nset，以及采样周期T；

(2)在设定值周围做阶跃测试后，从数据存储装置中得到历史数据，通过二次曲线拟和模块得到，氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；

(3)每个采样时刻KT，依据检测得到的温度和压强数据推断组分，其算式为(1)、(2)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+C})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔、塔顶塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

(4)控制器从数据存储装置中读取Y₁和Xn的值作为输入，运算控制变量R，L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×{\stackrel{\·}{Y}}_1\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T(K_1(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{\mathrm{lset}}-Y_1\left(k\right))}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×{\stackrel{\·}{X}}_n\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T(K_1(X_{\mathrm{mset}}-X_n\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{mset}}-X_n\left(k\right))}}\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)  (5)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；

(5)将R(k)，L(k)的数据信号返回给空分塔。

所述的控制方法还包括：(6)、在所述的(4)中计算了控制变量R(k)，L(k)的值，并将其以及检测得到的Y₁、Xn的值在控制器的人机界面上显示。所述的数据存储装置为DCS系统12的历史数据库，所述的DCS系统由数据接口3、控制站4和历史数据库5构成，在所述(6)中，将数据传给DCS系统，并在DCS的控制站显示过程状态。

Claims (7)

1、一种空分塔的一般模型控制系统，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，其特征在于：所述的上位机为一般模型控制器，所述的一般模型控制器包括组分推断控制部分和一般模型控制部分，

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，用于检测空分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DCS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)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}=\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶和塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

所述的一般模型控制部分包括：

I/O元件模块，用于一般模型控制器的内部及控制器与DCS之间的电信号、数据信号的传输；

二次曲线拟和模块，用于对数据存储装置中得到的历史数据进行二次曲线拟和，得到产品氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；

一般模型控制运算模块，用于通过组分推断部分得到的Y₁与Xn值，计算出当前控制变量下塔液氮液空的回流量R以及上塔液氧产品的输出流量L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{\•}{Y_1}\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1\left(k\right))}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1\right(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1(k\left)\right)}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{\•}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1\right(X_{\mathrm{nest}}-X_n\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nest}}-X_n(k\left)\right)}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)               (5)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；

控制输出模块，用于将计算得到的R(k)，L(k)的数据信号输出到空分塔。

2、如权利要求1所述的空分塔的一般模型控制系统，其特征在于：所述的一般模型控制系统还包括DCS系统，所述的DCS系统由数据接口、控制站和历史数据库构成，所述的数据存储装置为DCS系统的历史数据库。

3、如权利要求2所述的空分塔的一般模型控制系统，其特征在于：所述的现场智能仪表、DCS系统、一般模型控制器通过现场总线依次连接。

4、如权利要求1～3之一所述的空分塔的一般模型控制系统，其特征在于：所述的一般模型控制器还包括人机界面模块，用于将计算得到的控制变量R(k)，L(k)的值，以及检测得到的Y₁、Xn的值在控制器的人机界面上显示。

5、一种用如权利要求1所述的空分塔的一般模型控制系统实现的控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

(1)确定空分塔的双组分设定值Y_1set、X_nset，以及采样周期T；

(2)在设定值周围做阶跃测试后，从数据存储装置中得到历史数据，通过二次曲线拟和模块得到，氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²；

(3)每个采样时刻KT，依据检测得到的温度和压强数据推断组分，

其算式为(1)、(2)：

$Y_1=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}-1}-\frac{{10}^{(a-\frac{b}{T_1+c})}}{(\mathrm{\α}-1)P}---\left(1\right)$

$\mathrm{Xn}$ $=$ $\frac{\mathrm{P\α}}{{10}^{(a-\frac{T_n+c}{b})}(\mathrm{\α}-1)}-\frac{1}{\mathrm{\α}-1}---\left(2\right)$

其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，Xn为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶、塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；

(4)控制器从数据存储装置中读取Y₁和Xn的值作为输入，运算控制变量R，L的值，其算式为(3)、(4)、(5)：：

$\mathrm{\ΔR}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_1}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{\•}{Y_1}\left(k\right)+K_2\×T\×(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1(k\left)\right)}{\sqrt{Y_1\left(k\right)+T\left(K_1\right(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(Y_{1\mathrm{set}}-Y_1(k\left)\right)}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ΔL}\left(k\right)=\frac{1}{2\sqrt{a_2}}\×\frac{(1-T\×K_1)\×\stackrel{\•}{X_n}\left(k\right)+K_2\×T\×(X_{\mathrm{nest}}-X_n(k\left)\right)}{\sqrt{X_n\left(k\right)+T\left(K_1\right(X_{\mathrm{nset}}-X_n\left(k\right))+K_2\mathrm{\Σ}(X_{\mathrm{nest}}-X_n(k\left)\right)}}---\left(4\right)$

R(k)＝R(k-1)+ΔR(k)

L(k)＝L(k-1)+ΔL(k)              (5)

其中，T为采样周期，K₁、K₂为控制器可调参数，Y_1set、X_nset分别为Y₁与Xn的设定值；

(5)将R(k)，L(k)的数据信号返回给空分塔。

6、如权利要求5所述的空分塔的一般模型控制方法，其特征在于：所述的控制方法还包括：

(6)、在所述的(4)中计算了控制变量R(k)，L(k)的值，并将其以及检测得到的Y₁、Xn的值在控制器的人机界面上显示。

7、如权利要求5或6所述的空分塔的一般模型控制方法，其特征在于：所述的数据存储装置为DCS系统的历史数据库，所述的DCS系统由数据接口、控制站和历史数据库构成，在所述(6)中，将数据传给DCS系统，并在DCS的控制站显示过程状态。

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