高纯精馏的一般模型控制系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高纯精馏的一般模型控制系统和方法。本发明专利技术的高纯精馏的一般模型控制系统包括：精馏塔、智能检测仪表、ＤＣＳ系统、上位机和现场总线；上位机从ＤＣＳ实时数据库中获得历史的温度数据，通过推断控制环节和一般模型控制器环节，得到当前控制器的输出值：回流比和再沸比，再把这两个值返回给ＤＣＳ系统，从而作用于实际精馏塔对象，该系统较传统ＰＩＤ等控制系统，不仅确保了两端组分的高纯度平稳操作，并且具有很好的动态控制效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精馏
，特别地，涉及。
技术介绍
精馏过程是石油化工生产过程中一个很典型很重要的单元过程，它的操作质量直接影响着整个工厂的产品质量和生产成本。特别随着经济全球化和科技的日新月异，人们对精馏过程的高效性和精密性要求越来越高，高纯精馏越来越得到国内外的关注，并越来越重要。据农药专业杂志《AGROW》提供的数据，先正达2001年销售额为53.85亿美元，安万特为38.42亿美元，孟山都37.55亿美元，巴斯夫31.05亿美元，道农业科学26.12亿美元，拜耳24.18亿美元，杜邦19.17亿美元，他们都是被称为“农药90％俱乐部”的成员，而国内全部农药企业2001年销售总额仅为260.4亿人民币，仅相当于一个中型跨国公司的年度销售额。差距在哪里呢？一方面是由于国内农药的自主创新能力还不够，另外一方面则是由于生产高纯度农药能力的欠缺。举个例子，同样的一种农药，国外的精度能达到99.9％，而国内却只能达到99％，虽然就差了0.9个百分比，但是单位价格却可能会相差十倍，甚至百倍。有些外企的做法是拿国内企业的农药用做它们的原料，其中的利润可显而之，这也势必导致销售额的差距。高纯精馏过程控制的难题主要在于其复杂的动态特性、强非线性、和回路之间的强耦合性，传统的PID等线性控制方案很难对其得到较好的控制效果。国内外工艺、自控专家对此做了大量的研究工作，提出了许多先进控制理论，也取得了一些令人鼓舞的进展。但是鉴于仪表控制系统硬件的限制和高纯精馏过程非线性随纯度每0.1％甚至每0.01％纯度的提高而显著增强以及系统强耦合等特有的复杂动态特性，导致诸多先进控制方案很难在高纯精馏过程中有效实施，成为精馏生产产品高纯控制中的一个瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种新型，有效实现了对高纯精馏过程的平稳操作和两端组分的高纯度控制。和常规的精馏控制系统不同，本专利技术采用了一般模型控制非线性控制方法，从而有效的克服了因高纯精馏过程所固有的高度非线性、强耦合等过程特点而导致的常规控制方案不适用的困难，并且本专利技术以DCS和计算机上位机作为操作控制软硬件平台，使得本专利技术技术易于实施。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案一种高纯精馏的一般模型控制系统，它包括精馏塔、智能检测仪表、DCS系统、上位机和现场总线；所述精馏塔、智能检测仪表、DCS系统和上位机通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。进一步地，所述上位机包括推断控制器、一般模型控制器和人机界面。一种高纯精馏的一般模型控制方法，包括以下步骤1)拟和二次曲线来逼近系统的稳态模型，完成控制算法的设计；2)设置控制器的时间常数T、控制器参数K1和K2、采样时间；3)系统开始投运；4)智能检测仪表将检测到的现场数据，并通过现场总线实时传输到DCS的实时数据库；5)每个定时周期，上位机从实时数据库中得到前一时刻的塔顶塔底的温度、压强和灵敏板温度等数据；6)上位机的推断控制期器根据所得到的塔顶底温度、压强数据，计算出前一时刻的塔顶塔底组分的推断预测值，并传给一般模型控制器模块，作为一般模型控制器的输入；7)上位机的一般模型控制器计算出当前时刻的控制变量回流比和再沸比的控制值，并返回给DCS系统；8)DCS系统控制现场调节器，进而实现精馏过程的双端产品高纯控制。本专利技术涉及的控制系统以精馏过程塔顶产品轻组分纯度XD和塔底产品轻组分纯度Xn为被控变量，以回流比和再沸比为控制变量。现在随着分析仪表的发展，特别是工业色谱仪的在线应用，已逐渐出现直接按产品纯度来控制的方案。然而，这种方案目前仍受到两方面的制约，一是测量过程滞后很大，反应缓慢，二是分析仪表的可靠性较差，难以保障控制过程的长周期运行。所以，本专利技术引入了基于机理推导的组分推断控制，通过对精馏塔顶底温度、压强的实时检测，通过机理函数关系式，来精确推断产品组分，进行高精度长周期实时控制，可有效克服产品组成直接控制的诸多弊端。所述的产品组分的推断控制的推断算法的推导如下，以塔顶温度和塔顶产品轻组分分率的关系为例根据拉乌尔定律和道尔顿分压定律 其中P1为塔顶气相总压，y1为塔顶轻组分的气相分率，x1为塔顶轻组分的液相分率。Pb1°为塔顶轻组分的饱和蒸汽压。根据安托因(Antoine)方程T1＝-c(2)其中，a，b，c称为安托因常数。T1的单位为℃，Pb1°的单位为毫米汞柱。y1和x1之间的函数关系式根据相平衡关系得到y1=αx1(α-1)x1+1---(3)]]>其中，α为相对挥发度。方程式1，2，3联合推出如下的y1关于T1、P1关系式y1=αα-1-10(α-bT1+c)(α-1)P1---(4)]]>从而，得到塔顶产品纯度与温度压强间的组成推断控制函数关系式冷凝器若为全凝器，xD=αα-1-10(α-bT1+c)(α-1)P1---(5)]]>冷凝器若为分凝器，xD=1kD---(5,)]]>其中，kD为塔顶分凝器的气液平衡常数。同理，得到塔底产品组成与塔底温度、压强的组分推断控制方程Xn=Pα10(α-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(6)]]>本专利技术所涉及的系统控制器采用基于非线性模型的一般模型控制算法，将输出值与输出设定值之间的偏差，作为一般模型控制器的输入量，经一般模型控制律处理后，得到回流比和再沸比这两个控制变量的新数值，作为控制器的输出，传递给DCS系统。本专利技术采用的一般模型控制器的具体形式如下，以塔顶为例，为了方便表示，将塔顶产品组分XD标记为y，回流比 标记为u，希望y满足如下标称轨迹y*=K1(y*-y)+K2∫(y*-y)dt---(7)]]>其中，K1、K2为两个参数矩阵，用来决定响应曲线y的形状，y*为标称轨迹， 为y的导数。当系统稳态模型的存在时， 就可以用以下等式近似表示y*≈T-1(yu-y)---(8)]]>其中，T是开环时间常数的估计值，而yu则是系统最终的输出值。将(8)代入(7)，得到yu＝y+T(K1(y*-y)+K2∫(y*-y)dt) (9)若稳态模型存在，设yu＝F(u)(10)从而，根据(9)及(10)，求出控制变量u。本专利技术具有以下技术效果，通过运用一般模型控制系统，实现了对高纯精馏过程塔顶塔底双端组分的高纯度控制，具有响应快、无偏差的控制品质，较传统的PID控制系统在动态性能上有很大的改进，应用效果好，而且所述的控制方法基于DCS和计算机上位机平台，因此易于实施。附图说明图1为高纯精馏过程PID图；图2为本专利技术高纯精馏的一般模型控制系统的连接示意图； 图3为本专利技术高纯精馏的一般模型控制方法参数选择参照图；图中，1-塔体，2-回流罐，3-再沸器，4-乘法器单元，5-加法器单元，6-现场智能仪表，7-数据接口，8-控制站，9-实时数据库，10-上位机；D-塔顶产品本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高纯精馏的一般模型控制系统，其特征在于，它包括：精馏塔、智能检测仪表、ＤＣＳ系统、上位机和现场总线。所述精馏塔、智能检测仪表、ＤＣＳ系统和上位机通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，王成裕，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]