二元精馏塔的耦合分析系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二元精馏塔的耦合分析系统，用于针对二元精馏塔，提供动态耦合分析方法，满足控制工程师分析需求。二元精馏塔的耦合分析系统包括，辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔的输入和输出，辨识出二元精馏塔的传递函数；耦合分析单元，根据耦合分析方法对所述系统辨识单元辨识出的传递函数进行耦合分析从而给出耦合度；数据输出单元，用于将所述耦合分析单元的耦合度输出。本方法的优点是基于时域，计算简单，便于控制工程师使用，并且可以直观同时可以给出系统在时域内的全局耦合性。

【技术实现步骤摘要】
二元精馏塔的耦合分析系统
本专利技术涉及自动控制领域，具体涉及一种针对二元精馏塔的耦合分析系统。
技术介绍
精馏是化工工业和炼油工业中，应用广泛的传质过程。其目的是将混合液中的各组分进行分离，使混合液达到所规定的纯度。精馏塔是石化生产系统中最重要的环节之一，针对其的控制分析是控制领域重要的热点之一。二元精馏塔，是最基本也是最常用的精馏装置，其可实现两组分的分离功能。但在实际工业背景中，如图1所示的二元精馏塔控制模型图，待精馏组分经过精馏塔的控制被分离成重组分和轻组分。各控制变量间通常具有强耦合性，至少控制困难度较高，而传统的耦合分析方法是利用动态参数与静态参数结合以获取相对增益矩阵。该方法虽然计算过程简便，但不能完全的获取系统全局的耦合性，且动态参数的获取困难，不易于控制工程师的使用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种针对二元精馏塔可以在时域内获得全局的耦合性分析系统，方便控制工程师的使用。根据本专利技术的一种实施方式，二元精馏塔耦合分析系统，包括：辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔的输入和输出，辨识出二元精馏塔的传递函数；耦合分析单元，根据耦合分析方法对所述系统辨识单元辨识出的传递函数进行耦合分析从而计算出耦合度；数据输出单元，用于将所述耦合分析单元的耦合度输出以时域输出。所辨识的二元精馏塔系统2输入2输出的模型传递函数模型为其中耦合分析单元，计算式为其中当闭环滞后大于开环滞后(即τi,l≠j+τk≠i,j＞τij时)，耦合度在[0,τi,l≠j+τk≠i,j]为零；而闭环滞后小于开环滞后(即τi,l≠j+τk≠i,j＜τij)时，在[0,τij]，使用代替一种二元精馏塔耦合分析系统，其特征在于，包括：辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔的输入和输出，辨识出二元精馏塔的传递函数；耦合分析单元，根据耦合分析方法对所述系统辨识单元辨识出的传递函数进行耦合分析从而给出耦合度；数据输出单元，用于将所述耦合分析单元的耦合度输出。其中，所述耦合分析系统目标对象为二元精馏塔模型，所述二元精馏塔模型为2输入2输出的模型，所述二元精馏塔模型的传递函数为：其中，为G(s)第j个输出到第i个输入的传递函数，τij≥0为该第i个输入到第j个输出的通道的时滞，i＝1，2，j＝1，2；其中，所述系统辨识单元具体用于利用最小二乘法来辨识所述二元精馏塔模型的传递函数。进一步，所述耦合分析单元具体用于根据以下公式确定所述传递函数的耦合度：其中Iij(t)为所述传递函数Gij(s)的耦合度；为传递函数Gij(s)的单位阶跃响应；L-1为拉普拉斯反变换。进一步，所述耦合分析单元具体用于根据以下公式确定所述传递函数的耦合度：当闭环滞后大于开环滞后时，所述耦合度在[0,τi,l≠j+τk≠i,j]为零；当开环滞后大于闭环滞后时，在[0,τij]，使用代替其中Gij为根据所述系统辨识单元辨识出的传递函数；其中Δ为所述系统辨识单元的采样时间；其中闭环滞后为所述耦合度计算式分子滞后τi,l≠j+τk≠i,j，开环滞后为所述耦合度计算式分子滞后τij。进一步，所述数据输出单元具体用于在横纵坐标系的纵坐标上输出所述耦合度，并在所述横纵坐标系的横坐标上输出所述耦合度对应的时间域。耦合分析单元的计算流程图如图所示。数据输出单元，为方便控制工程师使用，以时域表示。附图说明图1是精馏塔工艺流程图；图2是单位阶跃响应示意图；图3是二元精馏塔耦合分析系统的示意图；图4是二元精馏塔耦合指标计算流程图；图5是伍德贝里模型耦合关系图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术的实施例提供了一种二元精馏塔的耦合分析系统。如图3所示，该耦合分析系统包括辨识单元，耦合分析单元和数据输出单元。辨识单元，用于根据所需辨识的目标对象辨识目标对象的传递函数；耦合分析单元，用于根据耦合方法给出传递函数的耦合度；数据输出单元，用于将耦合分析单元的耦合度输出。其中，系统辨识单元用于给出系统的传递函数，耦合分析单元所确定的耦合度是以时间为自变量的函数，最终的耦合度结果由数据输出单元展示。由于时域内的控制分析便于理解，且易于控制工程师的使用，因此在实际现场中有广泛的应用。其中，精馏塔的模型可以如图1所示。为了更好的对本专利技术的技术方案进行说明，以下先对本专利技术使用的基本理论进行介绍。首先，最小二乘辨识方法最小二乘法最早由高斯所提出，其最初用于行星轨道的预报研究工作，而后，由于最小二乘法若干实用的特性，被广泛用于估计理论中。最小二乘的理论本质是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。由于最小二乘在统计方面的优良特性，其也被用到系统辨识中，根据不同的对象特性，所用方法的不同，主要包括，最小二乘参数估计递推算法，最小二乘适应算法，广义最小二乘法等改进的最小二乘算法。其次，阶跃响应单位阶跃响应是指系统在单位阶跃信号的作用下所产生的零状态响应。单位阶跃信号的示意图如图2所示，其中指在的时候，信号量恒为0，在的时候，信号量恒为1，单位阶跃响应就是以单位阶跃信号为输入的响应信号。由于单位阶跃响应的简单性质和方便的实用性，其通常被应用于系统辨识中，因此本专利技术的实施例中使用阶跃响作为分析方法。以下是具体实例对本专利技术进行说明以耦合分析中经典的例子来进说明本方法的具体实施步骤，选取二元精馏塔中经典实例伍德贝里(Woodberry)模型来进行分析。该模型是由伍德和贝里于1973年提出，是典型的甲烷/水的二元精馏塔模型，其塔顶组分和塔底组分之间相互有较强影响，具有强耦合，大滞后，多时滞等特点。图4是二元精馏塔耦合指标计算流程图。以下结合图4说明二元精馏塔的耦合分析系统的耦合分析方法。首先辨识单元利用根据输入输出利用最小二乘辨识出二元精馏塔的传递函数如下所示Woodberry模型的传递函数式如下所示根据上述专利技术方法，耦合分析单元根据耦合分析方法给出Woodberry模型耦合关系的计算式如下：根据上述分析，分别给出开环和闭环的滞后时间开环滞后时间分别为τ-open11＝1τ-open12＝3τ-open21＝7τ-open22＝3闭环的滞后时间分别为τ-closed11＝τ-open12+τ-open21＝10τ-closed12＝τ-open11+τ-open22＝4τ-closed21＝τ-open22+τ-open11＝4τ-closed22＝τ-open21+τ-open12＝10并且根据结果得出τ-open11＜τ-closed11τ-open12＜τ-closed12τ-open21＞τ-closed21τ-open22＜τ-closed22根据上述分析，由于系统滞后的影响，通道1－1(G11)，1－2(G12)和2－2(G22)分别在[0,10]，[0,4]和[0,10]时间段内，该系统无耦合，为简化控制工程师对精馏塔的控制过程，即仅需分别[10,∞]，[4,∞]和[10,∞]的时间段进行分析，从一定程度上简化了计算复杂度。同时，由于2－1通道(G21)开环响应与闭环的滞后时间不同，需要针对精馏塔控制过程进一步处理考虑开环响应为零的情况，根据上述定义式，给出：即针对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二元精馏塔耦合分析系统，其特征在于，包括：辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔的输入和输出，辨识出二元精馏塔的传递函数；耦合分析单元，根据耦合分析方法对所述系统辨识单元辨识出的传递函数进行耦合分析从而给出耦合度；数据输出单元，用于将所述耦合分析单元的耦合度输出。

【技术特征摘要】
1.一种二元精馏塔耦合分析系统，其特征在于，包括：辨识单元，用于根据所需辨识的二元精馏塔的输入和输出，辨识出二元精馏塔的传递函数；耦合分析单元，根据耦合分析方法对所述系统辨识单元辨识出的传递函数进行耦合分析从而给出耦合度；数据输出单元，用于将所述耦合分析单元的耦合度输出；所述耦合分析系统目标对象为二元精馏塔模型，所述二元精馏塔模型为2输入2输出的模型，所述二元精馏塔模型的传递函数为：其中，为G(s)第j个输出到第i个输入的传递函数，τij≥0为该第i个输入到第j个输出的通道的时滞，i＝1，2，j＝1，2；其中，所述系统辨识单元具体用于利用最小二乘法来辨识所述二元精馏塔模型的传递函数；所述耦合分析单元具体用于根据以下公式确定所述传递函数的耦合度：其中Iij(t)为所述传递函数G...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳其兵，王涵睿，蒋北艳，王琪，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11