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一种热耦合空分塔高阶控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热耦合空分塔高阶控制装置，包括与热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统。所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口，存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接。所述智能仪表与数据接口连接。所述上位机用以实现控制信号的求解，并将求解的控制信号通过现场总线传递给控制站。所述控制站根据得到的控制信号通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整。所述控制器实现对热耦合空分塔的直接控制调整。本发明提供的控制装置能够很好地处理热耦合空分塔的控制问题，具有高效的在线运算速度，并具有非常好的控制效果、干扰抑制效果。

Description

一种热耦合空分塔高阶控制装置
技术领域
本发明涉及工业节能控制领域，特别地，涉及一种热耦合空分塔高阶控制装置。
背景技术
空分装置是对空气进行分离，并得到氧、氮、氩等高纯工业气体的装置，它被广泛应用于石油、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。所得到的氧、氮和氩产品在一个国家国民经济中的应用十分广泛。自从上世纪70年代的两次“石油危机”以来，能源危机加深，强烈地要求许多领域能源的有效利用。在能耗很大的空气分离工业中，能源成本占了空气产品价格的75％。于是出现这样的情况，一方面，由于现代工业的发展，一些大型工业项目如钢铁工业、化学工业、石油开采等都需要由大型空分装置提供空气制品，需求量也越来越大。另一方面，能耗成本也随着能源危机，变得越来越大。因此在这样的形势下，提高空气分离技术的能量效率显得刻不容缓。
热耦合空分技术比常规空分技术节能40％以上，节能效果显著。然而，由于热耦合空分过程具有强耦合、强病态、强不对称性、强反向响应等复杂的非线性动态特性，该塔的控制策略设计显得尤为困难。提高该过程的生产控制品质已经成为一项关键的空分节能技术，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种热耦合空分塔高阶控制装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种热耦合空分塔高阶控制装置，包括与热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统；所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口，存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接；所述智能仪表与数据接口连接，包括温度检测元件、压力检测元件；所述温度检测元件、压力检测元件件检测热耦合空分塔的温度、压力数据，通过数据接口传输至上位机，所述上位机根据热耦合空分塔的温度、压力数据得到控制信号，并将控制信号通过现场总线传递给控制站，所述控制站根据控制信号通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整，所述控制器实现对热耦合空分塔的直接控制调整；
所述上位机通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
其中，y和x分别表示组分浓度，P表示压强，T表示温度，α表示相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别表示氮组分和氧组分；
利用前后时刻的浓度差得到偏差：
eN＝yN(t)-yN(t-1) (3)
eO＝yO(t)-yO(t-1) (4)
其中，t为时间，e为偏差，下标N和O分别表示氮组分和氧组分；
通过下式得到组分反馈值：
其中，yNR和xOR分别表示氮产品的组分反馈值和氧产品的组分反馈值，s为拉普拉斯算子，K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数；F(s)是低通滤波器，如下式：
其中，Tf可以设置成希望的闭环时间常数，r可以选择使得传递函数合理的正数(一般选为1)；
再通过下式得到控制信号：
其中，ΔPH(t)和Δq(t)分别表示氮产品回路的控制信号和氧产品回路的控制信号，yNR和xOR分别表示氮产品的组分设定值和氧产品的组分设定值；低通滤波器及拉普拉斯变换系数和式(5)一致；
另一方面随着时间的改变，热耦合空分过程的特性也会随之发生变化，导致控制模型在一定程度上失配，控制效果下降；为了改善这一问题，可以对控制方案加入模型自适应环节，利用Hsia算法对拉普拉斯变换系数在线自整定，来增强模型的准确性，提高控制方案的性能；
其中，α是控制信号向量，即ΔPH(t)和Δq(t)；θ是拉普拉斯变换系数向量，即K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数；ε是系统噪声；是拉普拉斯变换系数估计值向量；M是协方差矩阵(M(-1)可以选择任意正定矩阵)，ρ是遗忘因子(取值通常在0.95～1)；t为时间；
在式(7)得到控制信号的同时，利用式(8)和式(9)对拉普拉斯变换系数进行校正，可以为下一时刻控制信号的求解提高准确性。
本发明的技术构思为：针对热耦合空分过程，建立相应的具有反向响应的高阶内部控制模型，同时加入自适应环节及低通滤波器，克服已有的控制装置抑制干扰能力差、控制效果差、难以实现精确设定值跟踪的不足，从而设计出热耦合空分过程的抑制干扰能力良好、控制效果好、可以实现精确迅速的设定值跟踪的控制装置。
本发明的有益效果主要表现在：1.控制方案建立在内部高阶控制模型基础上，能够及时抑制干扰作用；2.控制方案较好地处理了耦合问题，能够快速准确地跟踪设定值变化。通过采用上述技术方法，可以有效提供一种抑制干扰能力良好、控制效果好、可以实现精确迅速的设定值跟踪的热耦合空分塔的高阶控制装置，来克服目前热耦合空分塔的控制装置抑制干扰能力差、控制效果差、难以实现精确设定值跟踪的不足。
附图说明
图1是热耦合空分塔的控制装置结构图；
图2是上位机实现方法原理图；
图3是伺服控制仿真图；
图4是定值控制仿真图。
具体实施方式
下面根据附图具体说明本发明。
参照图1和图2，一种热耦合空分塔高阶控制装置，包括与热耦合空分塔1直接连接的智能仪表2、控制器8和DCS系统。所述DCS系统包括上位机6、控制站5、存储装置4、现场总线7和数据接口3，存储装置4、控制站5及上位机6通过现场总线7与数据接口3相连接。所述智能仪表2通过温度检测元件、压力检测元件测量相关参数，并与数据接口3连接。所述上位机6用以实现控制信号的求解，包括高阶控制器模块9，并将求解的控制信号通过现场总线7传递给控制站5。所述控制站5根据得到的控制信号通过与现场总线7相连的数据接口3，对控制器8进行调整。所述控制器8实现对热耦合空分塔1的直接控制调整。
所述上位机6通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
其中，y和x分别表示组分浓度，P表示压强，T表示温度，α表示相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别表示氮组分和氧组分。
利用前后时刻的浓度差得到偏差：
eN＝yN(t)-yN(t-1) (3)
eO＝yO(t)-yO(t-1) (4)
其中，t为时间，e为偏差，下标N和O分别表示氮组分和氧组分。
通过下式得到组分反馈值：
其中，yNR和xOR分别表示氮产品的组分反馈值和氧产品的组分反馈值，s为拉普拉斯算子，K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数。F(s)是低通滤波器，如下式：
其中，Tf可以设置成希望的闭环时间常数，r可以选择使得传递函数合理的正数(一般选为1)。
再通过下式得到控制信号：
其中，ΔPH(t)和Δq(t)分别表示氮产品回路的控制信号和氧产品回路的控制信号，yNR和xOR分别表示氮产品的组分设定值和氧产品的组分设定值。低通滤波器及拉普拉斯变换系数和式(5)一致。
另一方面随着时间的改变，热耦合空分过程的特性也会随之发生变化，导致控制模型在一定程度上失配，控制效果下降。为了改善这一问题，可以对控制方案加入模型自适应环节，利用Hsia算法对拉普拉斯变换系数在线自整定，来增强模型的准确性，提高控制方案的性能。
其中，α是控制信号向量，即ΔPH(t)和Δq(t)。θ是拉普拉斯变换系数向量，即K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数。ε是系统噪声。是拉普拉斯变换系数估计值向量。M是协方差矩阵(M(-1)可以选择任意正定矩阵)，ρ是遗忘因子(取值通常在0.95～1)。t为时间。
在式(7)得到控制信号的同时，利用式(8)和式(9)对拉普拉斯变换系数进行校正，可以为下一时刻控制信号的求解提高准确性。
控制算法采用高阶的内部控制模型，对控制过程描述更精确，能够及时抑制干扰作用。同时可以较好地处理了耦合问题，能够快速准确地跟踪设定值变化。
图3和图4分别给出了本方案在热耦合空分塔的伺服控制仿真和定值控制仿真，可以看到通过高阶控制模型不论是跟踪设定值变化还是抑制干扰作用，响应速度和整定效果都到达目的。
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 (5)

1.一种热耦合空分塔高阶控制装置，其特征在于，包括与热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统。所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口等。存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接。所述智能仪表与数据接口连接，包括温度检测元件、压力检测元件。所述温度检测元件、压力检测元件件检测热耦合空分塔的温度、压力数据，通过数据接口传输至上位机，所述上位机根据热耦合空分塔的温度、压力数据得到控制信号，并将控制信号通过现场总线传递给控制站，所述控制站根据控制信号通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整，所述控制器实现对热耦合空分塔的直接控制调整。
其中，所述上位机通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
其中，y和x分别表示组分浓度，P表示压强，T表示温度，α表示相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别表示氮组分和氧组分。
然后利用前后时刻的浓度差得到偏差：
eN＝yN(t)-yN(t-1) (3)
eO＝yO(t)-yO(t-1) (4)
其中，t为时间，e为偏差，下标N和O分别表示氮组分和氧组分。
再通过下式得到组分反馈值：
其中，yNR和xOR分别表示氮产品的组分反馈值和氧产品的组分反馈值，s为拉普拉斯算子，K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数。F(s)是低通滤波器，由下式表示：
其中，Tf可以设置成希望的闭环时间常数，r为使得传递函数合理的正数。
最后通过下式得到控制信号：
其中，ΔPH(t)和Δq(t)分别表示氮产品回路的控制信号和氧产品回路的控制信号，yNR和xOR分别表示氮产品的组分设定值和氧产品的组分设定值。
2.根据权利要求1所述热耦合空分塔高阶控制装置，其特征在于，所述公式(6)中，r为1。
3.根据权利要求1所述热耦合空分塔高阶控制装置，其特征在于，所述上位机根据下式对拉普拉斯变换系数在线自整定，来增强模型的准确性，提高控制方案的性能：
其中，α是控制信号向量，即ΔPH(t)和Δq(t)。θ是拉普拉斯变换系数向量，即K1-K8、T1–T8表示拉普拉斯变换系数。ε是系统噪声。是拉普拉斯变换系数估计值向量。M是协方差矩阵，M(-1)为任意正定矩阵，ρ是遗忘因子。t为时间。
4.根据权利要求3所述热耦合空分塔高阶控制装置，其特征在于，上位机在根据式(7)得到控制信号的同时，利用式(8)和式(9)对拉普拉斯变换系数进行校正，可以为下一时刻控制信号的求解提高准确性。
5.根据权利要求3所述热耦合空分塔高阶控制装置，其特征在于，所述公式(8)和(9)中，遗忘因子ρ取值为0.95～1。
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