一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统及控制方法，属于化工精馏过程节能控制技术领域。解决了精馏过程两端产物浓度的精确控制和抗扰问题。其技术方案为：高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统包括分布于精馏塔内部的智能传感器设备和DCS系统；控制方法包括通过I/O数据在线辨识模型，将辨识模型在选定频域内进行降阶逼近，根据降阶模型进行输入输出配对，并设计鲁棒解耦控制器，根据系统预设性能指标对控制器参数进行在线整定，实现鲁棒解耦控制器参数在线更新。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术能够有效处理高纯度精馏过程中不确定性和强耦合特性，具有良好的浓度设定值跟踪效果和抗扰性能。效果和抗扰性能。效果和抗扰性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及化工精馏过程节能控制
，尤其涉及一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]石油化工行业是能源消耗大户，其中精馏过程是石油化工过程中的高耗能代表之一。虽然精馏技术应用十分广泛，但精馏过程能源利用率低。这极大地限制了石化行业的可持续发展。因此，研究精馏过程的节能技术十分重要。
[0003]根据热力学第二定律，精馏节能需要做到减少过程中有效能的损失，塔内的压力、温度、浓度等状态都要稳定在合理的范围内。由于精馏过程，尤其是高纯度精馏过程存在非线性、强耦合、外部扰动多等特点，若精馏过程的控制系统设计不合理，则会使产物浓度和塔内各状态发生偏差，从而影响到产品质量，同时导致过程能量的浪费。精馏过程的先进控制系统设计一直以来是化工行业关注的热点和前沿问题。一个具有较强解耦和抗扰能力的控制系统可以长时间稳定的保证产品质量，也能为精馏过程节约大量能源。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统及控制方法，所提出的控制系统能够实现在高纯度精馏过程塔顶与塔底两端产物浓度的解耦控制，同时具有良好抗扰性能，能有效提升精馏过程产品质量，降低过程能源消耗，满足节能减排要求，本专利技术对精馏过程机理模型依赖程度低，所设计控制系统结构简单，鲁棒性强，控制器参数可在线整定，易于工程实现，具有较大的实际应用价值。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统，其中，所述控制系统包括：
[0006]分布于精馏塔内部的智能传感器设备和DCS系统，所述DCS系统包括控制器、数据库和上位机；
[0007]所述智能传感器设备通过工业现场总线与控制器和上位机相连接，上位机通过以太网与数据库相连接；
[0008]所述上位机包括用于计算输出高纯度精馏过程控制输出的鲁棒解耦控制器；
[0009]所述鲁棒解耦控制器包括模型在线辨识与降阶模块、控制律求解模块和控制器参数在线整定模块。
[0010]进一步地，所述的模型在线辨识与降阶模块根据现场I/O数据得到高纯度精馏过程动态降阶模型，具体包括：
[0011]从现场智能传感器设备获取精馏塔内部温度、压强、流量数据，将数据结果存储于数据库中；
[0012]针对数据库中固定时间段内历史数据进行方差计算，判断是否满足辨识条件，利用满足辨识条件的历史数据采用多变量闭环辨识方法，将精馏过程动态特性辨识为离散状
态空间模型；
[0013]针对数据库中固定时间段内历史数据进行方差计算，计算公式如下：
[0014][0015]其中，N为固定时间段内采样数据个数，x
i
为第i个采样数据，为数据平均值；
[0016]判断方差s2是否大于设定阈值，从而满足辨识所需的激励条件，利用满足辨识条件的历史数据采用闭环子空间辨识方法，将精馏过程动态特性辨识为离散状态空间模型；
[0017]辨识出的离散状态空间模型如下所示：
[0018][0019]其中，k表示系统的第k个采样时刻，x(k)∈R
n
为系统状态变量，u(k)∈R
m
和y(k)∈R
m
分别为高纯度精馏过程控制系统的m个操纵变量和m个被控变量；
[0020]针对辨识出的离散状态空间模型，设计频率加权矩阵，实现选定频域内的模型降阶，降阶问题描述为：
[0021][0022]其中，P为辨识的离散状态空间模型，P
r
为待求降阶模型，Q和R为频率加权矩阵，是由描述工作频率点的脉冲函数确定，将脉冲函数进行数值积分求取频率加权矩阵，并通过平衡实现方法求取降阶模型；
[0023]获到降阶模型后，将其输入至控制律求解模块和控制器参数在线整定模块；
[0024]控制律求解模块用于实时计算得到精馏过程操纵变量的控制信号，实现步骤包括：
[0025]根据在线辨识与降阶模块求取的降阶模型，将离散状态空间模型转换为连续状态空间模型，转换关系为：
[0026][0027]采用相对增益矩阵方法，判断输入输出变量之间耦合关系，并实现输入输出间的元素配对，获得配对后的状态空间模型(A
′
,B
′
,C
′
,D
′
)；
[0028]根据匹配后连续状态空间模型，求取静态解耦矩阵B0‑1，求取公式为：
[0029]B0‑1＝(D
′‑
C
′
A
′
‑1B
′
)
‑1[0030]根据配对后的每一对输入输出，设计单变量抗扰控制器，控制器包括扩张状态观测器和误差反馈控制器；
[0031]将控制器与静态解耦矩阵相串联，得到高纯度精馏过程鲁棒解耦控制结构，该结构以被控变量的设定值为输入，实时计算获得操纵变量的控制信号，并通过工业现场总线传输给控制器，控制器操纵执行结构完成控制动作，实现精馏过程两端产物浓度的鲁棒解耦控制；
[0032]控制器参数在线整定模块，其作用在于根据预设性能指标对鲁棒解耦控制结构中的参数进行在线整定，待整定参数包括控制器带宽矩阵和观测器带宽矩阵，整定步骤包括：
[0033]针对鲁棒解耦控制结构进行等效变换，得到二自由度等效模型，二自由度等效模型包括：等效被控对象矩阵、等效对角控制器矩阵和等效前置滤波器矩阵；
[0034]等效被控对象为降阶模型在参数摄动下的不确定性模型与静态解耦矩阵的乘积；
[0035]预设性能包括鲁棒稳定性指标和扰动抑制指标，结合等效被控对象，性能指标可以转化为尼柯尔斯图中的性能约束边界；
[0036]调整等效对角控制器和等效前置滤波器中的增益、零点和极点，使得系统开环频率特性曲线在工作频率处满足所述性能约束边界条件；
[0037]根据等效对角控制器和等效前置滤波器中增益、零点和极点与待整定参数之间的等量关系，从而计算获得待整定参数中的控制器带宽矩阵和观测器带宽矩阵；
[0038]在线整定模块将求取的待整定参数传输给控制律求取模块，从而实现控制器参数的在线更新。
[0039]为了更好地实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统的控制方法，根据塔内传感器数据在线辨识高纯度精馏过程离散状态空间模型；根据工作点频率特性，将辨识模型在选定频域内进行降阶逼近；针对降阶模型采用相对增益矩阵法进行输入输出配对；针对配对后系统，计算静态解耦矩阵，并对每个回路设计单变量抗扰控制器；将控制器与静态结构矩阵相串联，实现高纯度精馏过程鲁棒解耦控制器设计；将所设计结构进行等效转换，根据预设性能指标对模型参数进行在线整定，实现鲁棒解耦控制器参数在线更新。
[0040]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0041]1)、本专利技术的控制方法可以实现精本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：分布于精馏塔内部的智能传感器设备和DCS系统，所述DCS系统包括控制器、数据库和上位机；所述智能传感器设备通过工业现场总线与控制器和上位机相连接，上位机通过以太网与数据库相连接；所述上位机包括用于计算输出高纯度精馏过程控制输出的鲁棒解耦控制器；所述鲁棒解耦控制器包括模型在线辨识与降阶模块、控制律求解模块和控制器参数在线整定模块。2.根据权利要求1所述的高纯度精馏过程鲁棒解耦控制系统，其特征在于，所述模型在线辨识与降阶模块根据现场I/O数据得到高纯度精馏过程动态降阶模型，包括以下内容：从现场智能传感器设备获取精馏塔内部温度、压强、流量数据，将数据结果存储于数据库中；针对数据库中固定时间段内历史数据进行方差计算，判断是否满足辨识条件，利用满足辨识条件的历史数据采用多变量闭环辨识方法，将精馏过程动态特性辨识为离散状态空间模型；针对数据库中固定时间段内历史数据进行方差计算，计算公式如下：其中，N为固定时间段内采样数据个数，x
i
为第i个采样数据，为数据平均值；判断方差s2是否大于设定阈值，从而满足辨识所需的激励条件，利用满足辨识条件的历史数据采用闭环子空间辨识方法，将精馏过程动态特性辨识为离散状态空间模型；辨识出的离散状态空间模型如下所示：其中，k表示系统的第k个采样时刻，x(k)∈R
n
为系统状态变量，u(k)∈R
m
和y(k)∈R
m
分别为高纯度精馏过程控制系统的m个操纵变量和m个被控变量；针对辨识出的离散状态空间模型，设计频率加权矩阵，实现选定频域内的模型降阶，降阶问题描述为：其中，P为辨识的离散状态空间模型，P
r
为待求降阶模型，Q和R为频率加权矩阵，是由描述工作频率点的脉冲函数确定，将脉冲函数进行数值积分求取频率加权矩阵，并通过平衡实现方法求取降阶模型；获到降阶模型后，将其输入至控制律求解模块和控制器参数在线整定模块；控制律求解模块用于实时计算得到精馏过程操纵变量的控制信号，实现步骤包括：根据在线辨识与降阶模块求取的降阶模型，将离散状态空间模型转换为连续状态空间模型，转换关系为：
采用相对增益矩阵方法，判断输入输出变量之间耦合关系，并实现输入输出间的元素配对，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：范云雷，程赟，杜宇笙，袁银龙，李俊红，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：