使用非线性预测控制来控制化学反应器的方法技术

一种使用非线性预控制来控制化学反应器如气相反应器的方法，该方法包括如下步骤：产生多个表征化学反应器的当前状态和反映化学反应器中各反应物的成分的信号；计算与所述多个信号响应并且参照化学反应器中各反应物的质量容量的化学反应器的未来状态；和控制至少一个与化学反应器有关的参数，从而控制化学反应器的未来状态。较好地使用Ｎ－极性滤波器子程序来滤波传感器或控制器输出信号，就可以将由于这些信号中的噪声引起的虚假控制过程降至最小。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

Method for controlling a chemical reactor using nonlinear predictive control

A nonlinear precontrolling to control the chemical reactor such as gas phase reactor method, the method comprises the following steps: the signal current state a characterization of chemical reactor and the reaction mixture in the reactor components; the future state of chemical reactor calculation capacity and quality of the plurality of signal response and according to the reaction mixture of the reactor; and at least one control related to chemical reactor parameters, so as to control the future state of chemical reactor. Better use of N polarity filter subroutine to filter the sensor or controller output signal, it can be caused by noise due to false control of these signals to the minimum.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及一种化学过程，如在化学反应器中所用的化学过程的控制方法。更具体地说，本专利技术涉及一种使用计算与多变量输入响应的参数平衡的前馈子程序来控制化学反应器的方法，该方法利用系统知识和快速噪声滤波子程序。本专利技术特别可用于实时自动控制系统和设备，更具体地说可用于一类运用动态系统预测技术使用在线参数平衡和非线性模型的控制器。本专利技术也披露了一种滤波器和相应的滤波方法。在控制技术中，传统或典型的反馈控制器在控制实践中占主要地位。传统的反馈控制器包括线性控制器如比例(P)控制器，比例积分(PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器，所有这些控制器都将在下面阐述，和非线性控制器如模糊逻辑(FL)控制器。附图说明图1是使用P-型反馈控制的假想化学反应器的高液面部分方框图的部分示意图，该图显示了一种过程，通过控制流体的进料速度Vf保持锥形箱10中的液面。更具体地说，液面控制器12将指示箱10内液面的信号提供给流量控制器FC14，该流量控制器读出液体进料Vf并将定位信号提供给进料控制阀16以控制进入箱10的液体进料Vf。在如图1所示的系统中，值得注意的是，流出箱外的液体不受流量控制器14的控制。可以知道，当锥形箱内的液面高于其设定点(set-point)SP时，控制器14将减少进入箱内的新鲜进料，即减少Vf，而当它太低时，控制器14则提高流量，即增加Vf。这种调节的大小由所用的调整参数确定，其中最重要的是增益系数(gain)，即PID中的比例项(“P”)。在这种情况下，应规定增益系数的单位为(升/小时)/(％液面)。通过规定增益系数，操作人员就能确定对于箱10内的液面偏离预定设定点SP的百分数(％)偏差，该调节多少液体进料Vf。同样应值得注意的是，由术语PID表示的另外两个项是积分项和微分项。积分项，正如其名称所暗示的，它始终监视着有多长时间液面偏离预定的设定点SP。当设定点曲线和当前的阀曲线之间的面积增大时，积分项(I)开始命令液体进料Vf有较大的变化。相反，当箱10的液面加速或减速，微分项(D)规定液体进料Vf的调节量，例如，当箱10的液面以某一个加速度增加时，Vf的变化为第一值；当箱10的液面以一个减速度增加时，Vf的变化为与第一值不同的第二值。PID是一种自近1930年以来的常规控制策略；PID控制在化学制造业中仍居主导地位。可以看到PID控制有若干优点，其中最大的优点是它不需要任何系统的专门知识或模型；PID控制仅需要操作人员在调整系统时具有灵巧的手(defthand)。这个强项也正是其最大的弱点。更具体地说，PID控制不能利用操作人员所知道的关于系统的知识的优势。这样，对于图1所示的假想的控制系统，系统就不能顾及箱10是锥形的事实。如图1所示，锥形箱10在重力的作用下排放，而液面控制器14调节新鲜进料的流动速度Vf。由于箱10是锥形的，当液面高时，改变液面所需的容积变化就大得多。直觉上，这就产生了一个问题，即相对于几乎是空的时候来说，当箱10几乎是满的时候，为校正液面1％的偏差所需的对流动Vf的调节要大得多。为此，调整FC控制器14的参数的任何单一设定值(single set)都无法适用于所有液面设定点SP的值。这样，通常不可能对箱10的所有液面都使用一组调整参数。因此，从一个液面到另一个液面的较大的“转变”主要由操作人员手工进行，原因是对参数的一组设定将无法对箱10的低和高液面都适用。若控制系统对于箱10还有其它的控制环路操作，即如图2所示的温度环路，则图1所示的情况将进一步复杂化。在图2中，温度10较好地通过调节夹套流体Vj的温度Ti而得到控制。更具体地说，温度传感器18为控制加热器22的温度控制器20提供一温度信号，所述加热器加热提供给箱10的夹套10’的流体Vj。为了控制箱温达70℃，温度控制器20改变夹套流体温度Tj的设定点。应注意的是，控制器14和20尽管在物理上相互隔离，但它们在操作上仍然相互耦合。为了帮助说明这种系统中的“控制器耦合”的概念，假定在20℃时将新鲜的流体送入箱10内，并假定箱流体的密度是温度的函数。因此，进料Vf的任何变化都将会影响箱10内流体的温度，影响箱10内流体的密度，并随后影响箱10内的液面等等。如图3和4所示，会导致不稳定性，这在下面有更详细的说明。图4的关系曲线图进一步说明了通过箱10内流体的密度所发生的由于液面和温度控制器的强烈耦合所招致的控制器耦合。可以知道传导到箱10的热量将取决于温差(T夹套-T箱)和接触的表面积，即热交换表面积。而且，箱10内的温度升高取决于箱内液体的质量和液体的热容。值得注意的是热交换的表面积和液体质量是箱液面的强非线性函数；仅通过观察就可以看到对箱10内液面的任何扰动或改变都将会干扰箱10内液体的温度。进一步地，假定液体密度是温度的函数，则箱10温度的任何变化都将会影响箱10内液体的液面，继而再影响新鲜液体进料Vf，进料又进一步干扰箱10的温度。在常规的PID控制中，这就是被称为会导致系统持续振荡或系统彻底不稳定性的控制器耦合。这对于液面设定点SP的变化图示于图3和4中。从这些较后的附图中，可以看到当控制器14的调整对箱10的较高液面来说是可接受的时候，系统在箱10的液面较低时的快得多的响应会导致系统严重的不稳定性。对诸如图2所示的带有PID控制的系统的控制器耦合的解决方案是“解调”控制器14，20中的一个控制器，即降低控制器20的能力，例如控制其变量以便保持其它控制器如控制器12避免与控制器20相对抗。这样，在以除了对过程干扰有较差的响应外而且有较多的漂移为代价的前提下，系统的稳定性就实现了。图5是烯烃聚合产物所用的第一气相反应器(GPR)100的总体示意图。将聚合物从闪蒸鼓110送入反应器100中。从反应器100顶部出来的气体在冷却器114中冷却，而后由压缩机140进行再压缩。此时注意的是然后加入新鲜单体C2，C3和氢气H2，将气体送回至GPR 100。通过精密的旋风器128和聚合物排放阀130，132同样使气体离开反应器100。从排放阀130，132出来的气体经凫式涤气器(teal scrubber)120和压缩机118最终到达乙烯汽提塔116，其中大量的丙烯和丙烷被除去并将它们返回至丙烯弹(未图示出)中，同时乙烯和氢气H2返回至反应器100中。图6图示了叠加到图5示意图上的原始的气相反应器的控制流程图。观察图6可以看出，引导控制环路使用对闪蒸鼓100的均聚物排放速度的计算值，以设定为到达最终产物中希望的乙烯％所需的进入反应器100的乙烯流量。为了使在GPR 100中产生的二聚物具有乙烯和丙烯的正确组成，必须将气体组成保持在正确的值。由于乙烯的进料已经固定，故通过按气体控制器GC的读数来调节丙烯进料速度完成这个过程。尤其是，控制氢气H2以保持其与乙烯的所需比率。应知道GPR 100中的压力在一定的容差范围内必须保持不变。由于乙烯的进料是固定的，又由于必须将丙烯的进料调节到使最终的气体组成保持不变，故只能通过调节反应器100中聚合物床的液面来完成所需的控制。应注意的是，床的液面越高，则供入系统中以使气体反应的催化剂就越多，反之亦然。在图6的底部是列举使用系统传感器进行的测量和基于这些测量控制的变量的图表符本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用非线性预测控制来控制化学反应器的方法，该方法包括如下步骤： 提供基于至少一个扩展变量并且具有形式：操作变量（多个）＝稳定状态项（多个）＋动态项（多个）＋误差项的非线性预测模式； 产生多个表征化学反应器的当前状态和反映化学反应器中各反应物的成分的信号； 计算响应所述多个信号并且参照化学反应器中各反应物的质量容纳量的化学反应器的未来状态； 控制至少一个所述的操作变量，从而控制化学反应器的未来状态。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DG哈勒尔，DC威廉斯，
申请(专利权)人：蒙岱尔北美股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]