CN101901005B - 空分节能过程的比例积分控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种空分节能过程的比例积分控制系统，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，所述现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机相连，所述的上位机包括用以求解控制律输出操作变量值的比例积分控制器，所述比例积分控制器包括组分推断模块和比例积分控制律求解模块。本发明也提供了一种空分节能过程的比例积分控制方法。本发明能够有效快速的跟踪空分节能过程的设定值变化，针对空分节能过程的控制模型容易产生模型失配的情况，建立结构简单，控制高效的比例积分控制方案。

Description

空分节能过程的比例积分控制系统及方法

技术领域

本发明涉及空分节能过程的控制设计领域，特别地，涉及空分节能过程的比例积分控制系统设计及方法。

背景技术

空分是对空气进行分离，得到氧、氮、氩等高纯工业气体的国民经济重要行业，其产品广泛用于石油、化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料、医疗保健等各种工业领域。而巨大的能量消耗一直为空分行业的瓶颈问题。

由于空分精馏过程的强非线性，耦合性等复杂动态特性，很难建立鲁棒性较好的控制方案。基于近似线性模型的预测控制方案虽然一定程度上获得了较好的控制效果，但是由于近似线性模型只能高效工作在稳态工作点附近，当系统波动幅度较大，则控制系统效果出现明显下降。建立空分节能过程的高效率，高精度，强鲁棒性的控制方案，已经成为一项关键的空分节能技术。

发明内容

为了克服现有的空分节能过程的控制系统的效率低、精度低、鲁棒性较差的不足，本发明提供一种高效率、高精度、强鲁棒性的空分节能过程的比例积分控制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空分节能过程的比例积分控制系统，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，所述现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机相连，所述上位机包括用以求解比例积分控制律并输出控制变量值的比例积分控制器，所述的比例积分控制器包括：

组分推断模块，用以获取现场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，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×10^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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；

比例积分控制律求解模块，用以根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为k-1采样时刻下塔进料热状况。

作为优选的一种方案：所述的上位机还包括人机界面模块，用以设定采样周期t，控制律参数K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂和上塔塔顶液氮浓度设定值X_1，1 ^*，塔底液氧浓度设定值X_3，n ^*，并显示控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线。

一种空分节能过程的比例积分控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：

1)确定采样周期t，并将t值，氮和氧相对于氩的相对挥发度α_N、α_O，安东尼常数a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O保存在历史数据库当中；

2)设定控制律参数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂和空分塔上塔塔顶液氮浓度设定值X_1，1 ^*，塔底液氧浓度设定值X_3，n ^*；

3)检测k时刻上塔压强P_r(k)，各塔板温度T_i(k)，计算液氮液氧的组分浓度值，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×10^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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；

4)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为K-1采样时刻下塔进料热状况；

5)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改变值q(k)，P_r(k)输送给DCS系统中的控制站，调整空分节能过程的进料热状况值和上塔压强值。

进一步，所述的历史数据库为DCS系统的存储装置，控制站读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。

本发明的有益效果主要表现在：1.比例积分控制方案具有很好的鲁棒性，能够及时抑制干扰作用；2.能够快速准确地跟踪设定值变化，具有很好的伺服跟踪控制效果。

附图说明

图1是本发明所提出的空分节能过程的比例积分控制系统结构图。

图2是上位机控制器实现方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1和图2，一种空分节能过程的比例积分控制系统，包括与空分塔1直接连接的现场智能仪表2和DCS系统12，所述DCS系统12包括存储装置4、控制站5和上位机6，所述现场智能仪表2与存储装置4、控制站5、上位机6通过现场总线和数据接口3依次相连；所述的智能仪表用以实现检测模块7的功能即检测得到内部热耦合精馏塔的温度、压强数据，所述的数据接口用以实现I/O模块8的功能即数据的输入输出，上位机6包括用以求解比例积分控制律并输出控制变量改变值的比例积分控制器，所述的比例积分控制器包括组分推断模块9和比例积分控制律求解模块10。

所述的组分推断模块9，用以获取现场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，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×10^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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。

所述的空分节能过程的比例积分控制律求解模块10，根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为k-1采样时刻下塔进料热状况。

所述的上位机还包括人机界面模块，用于设定采样周期t，控制律参数K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂和上塔塔顶液氮浓度设定值x_1，1 ^*，塔底液氧浓度设定值x_3，n ^*，并显示控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线。

实施例2

参照图1和图2，一种空分节能过程的比例积分控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：

1)确定采样周期t，并将t值，氮和氧相对于氩的相对挥发度α_N、α_O，安东尼常数a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O保存在历史数据库当中；

2)设定控制律参数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂和上塔塔顶液氮浓度设定值X_{1， 1} ^*，塔底液氧浓度设定值X_3，n ^*；

3)检测k时刻上塔压强P_r(k)，各塔板温度T_i(k)，计算液氮液氧的组分浓度值，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×10^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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；

4)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为k-1采样时刻下塔进料热状况；

5)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改变值q(k)，P_r(k)输送给DCS系统中的控制站，调整空分节能过程的进料热状况值和上塔压强值。

所述的历史数据库为DCS系统中的存储装置4，所述的DCS系统包括数据接口3、存储装置4和控制站5，其中，控制站5可以读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。

上述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。

Claims (4)

1.一种空分节能过程的比例积分控制系统，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，所述现场智能仪表与存储装置、控制站和上位机相连，其特征在于：所述上位机包括用以求解比例积分控制律并输出控制变量值的比例积分控制器，所述的比例积分控制器包括：

组分推断模块，用以获取现场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，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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；

比例积分控制律求解模块，用以根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为k-1采样时刻下塔进料热状况。

2.如权利要求1中所述的空分节能过程的比例积分控制系统，其特征在于：所述的上位机还包括人机界面模块，用以设定采样周期t，控制律参数K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂和上塔塔顶液氮浓度设定值X_1，1 ^*，塔底液氧浓度设定值X_3，n ^*，并显示控制器的输出曲线和被控变量即塔顶塔底液相轻组分浓度的记录曲线。

3.一种如权利要求1所述的空分节能过程的比例积分控制系统实现的比例积分控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

1)确定采样周期t，并将t值，氮和氧相对于氩的相对挥发度α_N、α_O，安东尼常数a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O保存在历史数据库当中；

2)设定控制律参数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂和空分塔上塔塔顶液氮浓度设定值X_1，1 ^*，塔底液氧浓度设定值X_3，n ^*；

3)检测k时刻上塔压强P_r(k)，各塔板温度T_i(k)，计算液氮液氧的组分浓度值，采用式(1)(2)得到：

$X_{i,N}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_N\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\mathrm{\α}}_N-1}---\left(1\right)$

$X_{i,O}\left(k\right)=\frac{P_r\left(k\right)\×{\mathrm{\α}}_O\×{10}^{(\frac{T_i\left(k\right)+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\mathrm{\α}}_O-1}---\left(2\right)$

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)为空分塔上塔第i块塔板处氧的液相组分浓度，P_r(k)为k采样时刻上塔压强，T_i(k)为k采样时刻上塔第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；

4)根据当前氮和氧的液相组分浓度数据和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量的理想改变值，控制律采用式(3)(4)得到：

$P_r\left(k\right)=P_r(k-1)+[K_{11}({X_{\mathrm{1,1},}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}(k-1))+K_{12}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{\mathrm{1,1}}}^{*}-X_{\mathrm{1,1}}\left(j\right))t]---\left(3\right)$

$q\left(k\right)=q(k-1)+[K_{21}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}(k-1))+K_{22}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}({X_{3,n}}^{*}-X_{3,n}\left(j\right))t]---\left(4\right)$

其中，P_r(k-1)为k-1采样时刻上塔压强，k为当前采样时刻，X_1，1 ^*为塔顶液氮浓度设定值，X_3，n ^*为塔底液氧浓度设定值，X_1，1(k-1)、X_1，1(j)分别为k-1采样时刻、j时刻的塔顶液氮的浓度测量值，X_3，n(k-1)、X_3，n(j)分别为为k-1采样时刻、j时刻的塔底液氧的浓度测量值，t为采样周期，K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为控制律参数，q(k)为k采样时刻下塔进料热状况，q(k-1)为k-1采样时刻下塔进料热状况；

5)将当前时刻空分节能过程的控制变量即进料热状况和上塔压强的当前理想改变值q(k)，P_r(k)输送给DCS系统中的控制站，调整空分节能过程的进料热状况值和上塔压强值。

4.如权利要求3所述的比例积分控制方法，其特征在于：所述的历史数据库为DCS系统的存储装置，控制站读取历史数据库，显示空分节能过程的工作状态。

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