一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统，包括与内部热耦合精馏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计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的超高纯非线性控制器，所述超高纯非线性控制器包括组分推断模块，参考轨迹计算模块，超高纯非线性控制律求解模块。本发明也提供了一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制方法。本发明提供的控制系统及方法能够很好地处理超高纯内部热耦合精馏的强非线性特征，具有高效的在线运算速度，并具有非常好的伺服跟踪控制效果和干扰抑制效果。
1.一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统，包括与内部热耦合精馏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：所述的上位机包括用以计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的超高纯非线性控制器，所述超高纯非线性控制器包括：组分推断模块，用以从现场智能仪表获取温度，压强数据，计算内部热耦合精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，采用式(1)(2)得到：i＝1，2，……，f-1 (1)
其中，下脚标i为塔板编号，l为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi为第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；参考轨迹计算模块，用以实现塔顶汽相产品设定浓度至液相浓度设定值的转换，采用式(3)得到：* * *
其中，Y1，X1 分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
超高纯非线性控制律求解模块，用以根据当前组分浓度数据，参考轨迹和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量变化率，采用式(4)-(14)得到：i＝1，2，…，f-1 (14)
其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板塔之间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi、Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1，Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H为持液量，* *
Pvp，i为第i块塔板的饱和蒸汽压，X1、Xn 分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化率。
2.如权利要求1所述的内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统，其特征在于：所述的上位机还包括人机界面模块，用于设定采样周期，控制律参数K12，K11，K10，K22，K21，K20和* *塔顶汽相产品浓度设定值Y1，塔底液相轻组分浓度设定值Xn，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所述的内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统实现的超高纯非线性控制方法，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，并将相对挥发度α，提馏段压强Ps，安东尼常数a、b、c保存在历史数据库当中；
2)设定控制律参数K12，K11，K10，K22，K21，K20和塔顶汽相产品浓度设定值Y1，塔底液相轻*组分浓度设定值Xn ；
3)从现场智能仪表获取精馏段压强Pr提馏段压强Ps，以及各塔板温度Ti，计算液相轻组分浓度值，采用式(1)(2)得到：i＝1，2，……，f-1 (1)
其中，下脚标i为塔板编号，l为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi为第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；
4)用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线计算拐点参考轨迹如式(3)：* * *
其中Y1，X1 分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
5)根据当前组分浓度数据，参考轨迹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，采用式(4)-(14)得到：i＝1，2，…，f-1 (14)
其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板塔之间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi，Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1，Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H为持液量，* *
Pvp，i，为第i块塔板的饱和蒸汽压， X1、Xn 分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化率；
6)将当前时刻内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的理想变化速率输送给DCS系统中的控制站，调整内部热耦合精馏塔的进料热状况值和精馏段压强值。
4.如权利要求3所述的超高纯非线性控制方法，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，显示内部热耦合精馏塔工作过程状态。
一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及精馏节能控制系统与方法设计问题，尤其提出了一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统及方法。
背景技术
[0002] 精馏塔是化工过程的一个关键操作单元。长久以来，精馏塔因为高耗能，低能效的问题成为国际精馏领域研究的焦点。目前针对精馏过程的能耗问题主要有两方面的解决方案：一种设计新型结构，利用热量耦合实现能量重复利用达到节能目的，一种设计高效精馏过程控制策略，提高产品生产质量减少废料从而达到节能目的。尽管有较多实验研究证明内部热耦合精馏塔能够显著提高能源利用率，但是由于内部热耦合精馏塔的精馏段与提馏段之间存在极强的耦合性且该塔具有十分复杂的强非线性，该塔的控制策略设计显得尤为困难。
[0003] 传统的PID，内膜控制方案等已经不能满足要求，在超高纯内部热耦合精馏过程控制当中，这些方案已经很难使过程稳定。而基于线性辨识模型的预测控制方案只能工作在稳态工作点附近，稍微增大干扰幅度，或者设定值阶跃变化系统控制质量则出现明显下降，有效的超高纯控制方案设计的需求十分迫切。
发明内容
[0004] 为了克服现有的内部热耦合精馏塔的控制系统的抑制干扰能力差、控制效果差的不足，本发明提供一种抑制干扰能力良好、控制效果好的内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统及方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统，包括与内部热耦合精馏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计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的超高纯非线性控制器，所述超高纯非线性控制器包括：
[0007] 组分推断模块，用以从现场智能仪表获取温度，压强数据，计算 内部热耦合精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，采用式(1)(2)得到：
[0008]
[0009]
[0010] 其中，下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi为第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；参考轨迹计算模块，用以实现塔顶汽相产品设定浓度至液相浓度设定值的转换，采用式(3)得到：
[0011] X1*＝Y1*/[α-(α-1)Y1*] (3)
[0012] 其中，Y1*，X1*分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
[0013] 超高纯非线性控制律求解模块，用以根据当前组分浓度数据，参考轨迹和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量变化率，采用式(4)-(14)得到：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板塔之
间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi，Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1、Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H为持液
* *
量，Pvp，i为第i块塔板的饱和蒸汽压， X1、Xn 分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化率。
[0027] 作为优选的一种方案：所述的上位机还包括人机界面模块，用于设定采样周期，控制律参数K12，K11，K10，K22，K21，K20和塔顶汽相产品浓度设定值Y1*，塔底液相轻组分浓度设定*值Xn，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。 [0028] 一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
[0029] 1)确定采样周期，并将相对挥发度α，提馏段压强Ps，安东尼常数a、b、c保存在历史数据库当中；
[0030] 2)设定控制律参数K12，K11，K10，K22，K21，K20和塔顶汽相产品浓度设定值Y1*，塔底液*相轻组分浓度设定值Xn ；
[0031] 3)从现场智能仪表获取精馏段压强Pr提馏段压强Ps，以及各塔板温度Ti，计算液相轻组分浓度值，采用式(1)(2)得到：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi为第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数；
[0035] 4)用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线计算拐点参考轨迹如式(3)：
[0036] X1*＝Y1*/[α-(α-1)Y1* (3)
[0037] 其中Y1*，X1*分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
[0038] 5)根据当前组分浓度数据，参考轨迹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，采用式(4)-(14)得到：
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板塔之
间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi，Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1，Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H为持液
量，Pvp，i为第i块塔板的饱和蒸汽压， X1*、Xn*分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化率；
[0052] 6)将当前时刻内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的理想变化速率输送给DCS系统中的控制站，调整内部热耦合精馏塔的进料热状况值和精馏段压强值。
[0053] 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，显示内部热耦合精馏塔工作过程状态。
[0054] 本发明的有益效果主要表现在：1.超高纯非线性控制方案建立在高精度非线性模型基础上，能够及时抑制干扰作用；2.较好地处理了耦合问题，能够快速准确地跟踪设定值变化。
附图说明
[0055] 图1是本发明所提出的内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统的结构图。 [0056] 图2是上位机控制器实现方法的原理图。
具体实施方式
[0057] 下面根据附图具体说明本发明。
[0058] 实施例1
[0059] 参照图1和图2，一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制系统，控制系统包括与内部热耦合精馏塔直接连接的现场智能仪表2和DSC系统13，所述DCS系统13包括存储装置4，控制站5和上位机6，其中，现场智能仪表2与存储装置4、控制站5和上位机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；所述的上位机包括用于计算输出内部热耦合精馏塔控制变量值的超高纯非线性控制器，所述超高纯非线性控制器包括组分推断模块9，参考轨迹计算模块10，超高纯非线性控制律求解模块11。
[0060] 所述的组分推断模块9，上位机从智能仪表获取温度，压强数据，计算内部热耦合精馏塔各块塔板的组分浓度，并将组分浓度计算结果存储在历史数据库当中，采用式(1)(2)得到：
[0061]
[0062]
[0063] 其中下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi为第i块塔板的液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼(Antonie)常数。
[0064] 所述的参考轨迹计算模块10实现塔顶汽相产品设定浓度至液相浓度设定值的转换，采用式(3)得到：
[0065] X1*＝Y1*/[α-(α-1)Y1*] (3)
[0066] 其中Y1*，X1*分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
[0067] 所述的内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制律求解模块11根据当前组分浓度数据，参考轨迹和当前时刻操作变量值求取当前的控制变量变化率，采用式(4)-(14)得到 [0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080] 其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板塔之
间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi，Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1，Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H为持液
* *
量，Pvp，i为第i块塔板的饱和蒸汽压， X1、Xn 分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，根据具体操作对象特性具体调节，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化 率。
[0081] 所述的上位机包括人机界面模块12，用于设定采样周期，控制律参数K12，K11，K10，* *K22，K21，K20和塔顶汽相产品浓度设定值Y1，塔底液相轻组分浓度设定值Xn，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。
[0082] 实施例2
[0083] 参照图1和图2，一种内部热耦合精馏塔的超高纯非线性控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
[0084] 1)确定采样周期，并将相对挥发度α，提馏段压强Ps，安东尼(Antonie)常数a、b、c、保存在历史数据库当中；*
[0085] 2)设定控制律参数K12，K11，K10，K22，K21，K20和塔顶汽相产品浓度设定值Y1，塔底液*相轻组分浓度设定值Xn ；
[0086] 3)从智能仪表获取精馏段压强Pr提馏段压强Ps，以及各塔板温度Ti，计算液相轻组分浓度值，采用式(1)(2)得到：
[0087]
[0088]
[0089] 其中，下脚标i为塔板编号，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号，Xi液相轻组分浓度，Pr精馏段压强、Ps为提馏段压强，Ti为第i块塔板的温度，α为相对挥发度，a、b、c为安东尼(Antonie)常数；
[0090] 4)用历史数据库中组分推断模块计算出的组分浓度数据，在线计算拐点参考轨迹如式(3)：* * *
[0091] X1 ＝Y1/[α-(α-1)Y1 (3)* *
[0092] 其中，Y1，X1 分别为塔顶气、液相产品浓度设定值；
[0093] 5)根据当前组分浓度数据，参考轨迹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，采用式(4)-(14)得到
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 其中，X1、Xi、Xi+f-1、Xn分别为塔顶、第i块塔板、第i+f-1块塔板和塔底的液相轻组分浓度， 分别为塔顶的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为第i块塔板的液相轻组分浓度的一次、二次导数， 分别为塔底的液相轻组分浓度的一次、二次导数，Qi为第i块塔板之间的热耦合量， 为第i块塔板之间、第n-f+1块板
塔之间的热耦合量的导数，λ为汽化潜热，Kqi，Bqi为中间变量，UA为传热速率，F为进料流率，Zf为进料组分浓度，V1，Vn分别为塔顶和塔底的汽相流率，L1，Ln分别为塔顶和塔底的液相流率， 分别为塔顶、第i块塔板、第n-1块塔底的液相汽相流率导数，H
* *
为持液量，Pvp，i为第i块塔板的饱和蒸汽压， X1、Xn 分别为塔顶和塔底的液相轻组分浓度设定值，K12、K11、K10、K22、K21、K20为控制律参数，K12，K22∈[0.01，0.1]，K11，K21∈[0.1，10]，K10，K20∈[1，100]，根据具体操作对象特性具体调节，q为进料热状况，Pr为当精馏段压强， 分别为内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强的变化率；
[0107] 6)将当前时刻内部热耦合精馏塔控制变量即进料热状况和精馏段压强 的理想变化速率输送给DCS系统中的控制站，调整内部热耦合精馏塔的进料热状况值和精馏段压强值。
[0108] 所述的历史数据库为DCS系统中的存储装置，所述的DCS系统包括数据接口，存储装置，控制站，其中控制站可以读取历史数据库，显示内部热耦合精馏塔工作过程状态。 [0109] 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。
