一种聚丙烯装置牌号切换控制方法制造方法及图纸

一种聚丙烯装置牌号切换控制方法，通过建立聚丙烯牌号切换过程离散时间状态空间Ｈａｍｍｅｒｓｔｅｉｎ模型，根据系统一次性能指标建立线性子系统最优控制器，根据系统状态观测器的期望极点，运用极点配置法设计状态观测；根据系统二次性能指标建立基于状态观测器的模型预测控制器，更新优化控制问题的初始条件，然后滚动优化计算当前时刻的预测控制量，周而复始，直到牌号切换过程过渡到目标牌号并稳定生产为止。本发明专利技术设计简单、容易理解、实现在线投运简便、实用性强，在相当宽的范围内实现聚丙烯牌号特别是非同类牌号的连续自动切换，可极大地缩短牌号切换时间，降低不合格产品的排放，提高生产经济效益和市场竞争力。

Method for controlling grade switching of polypropylene device

A polypropylene grade transition control method, through the establishment of polypropylene grade transition process in discrete time state space model of Hammerstein system, according to the disposable indicators to establish the linear subsystem optimal controller, according to the system state observer expected pole, using pole placement design method according to the system state observation; two performance indicators to establish predictive controller state observer model based on the initial conditions, update optimization control problem, and then computing the current forecast optimization control, and again, until the grade transition transition to the target brand and stable production so far. The invention has the advantages of simple design, easy to understand and realize the online operation is simple and practical, in a wide range of implementation of polypropylene grade especially for automatic switching of non similar brands, brands can greatly shorten the switching time, reduce emissions of substandard products, improve the production and economic benefits and market competitiveness.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
为了满足市场对聚丙烯产品的多样性需求和更高的质量要求，以及为追求更高的企业经济效益，聚丙烯装置需要频繁地进行牌号切换生产。同时随着聚丙烯工业和生产技术的发展，生产的规模越来越大，牌号的切换频率越来越高，而每次切换总伴随着大量的过渡时间和不合格料即废料的产生，最终影响企业的生产经济效益和节能降耗指标。大型聚丙烯装置牌号切换过程是复杂的多变量、强耦合、多约束的“本质”非线性过程，其实质是一种产品质量(牌号)转化为另一种产品质量，反映在聚合工艺条件上，就是在保证聚合装置安全生产的前提下由一种聚合工艺条件切换到另一种期望的聚合工艺条件，同时要求切换过程具有良好的平稳性、快速性和经济性等综合性指标。因此，牌号切换操作已成为当今聚丙烯工业先进生产技术的一个关键研究任务。以往的工业生产实践和科学研究中采用的牌号切换操作的方法主要有根据典型牌号切换的经验法、计算机模拟仿真方法、基于优化技术的最优切换方法、基于先进控制策略的控制方法等。在这些牌号切换方法中，根据典型牌号切换的经验法只针对特定的几个牌号切换操作，不利于新牌号、多牌号间的切换操作；计算机模拟仿真方法和基于优化技术的最优切换方法虽然在理论上可实现最优牌号切换，但都属于离线切换操作，无法根据聚丙烯装置的生产实际实现牌号自动切换；基于先进控制策略的切换控制方法，经过对现有技术文献的检索发现，主要包括McAuley，1993；Gobin，1994；Meziou，1996；Ozkan，1998；Ali，1998；Seki，2001；Bindlish & Rawlings，2003；BenAmor，2004；Feather & Lieberman，2004；Ali，2007，通常结合聚合反应机理模型，控制器设计复杂且所用到的相关专业理论知识较多，往往导致控制器在线投运困难，且不便于被工程技术人员掌握和推广使用。因此，近十几年，过程控制领域内的许多学者和工程专家对于这个具有挑战性的重要控制难题进行了大量深入地研究和探讨，以满足当前聚丙烯生产实践对于有效、简便地调节和控制牌号切换过程的迫切要求。
技术实现思路
为了克服已有的聚丙烯装置牌号切换控制方法的设计复杂、在线投运困难、实用性差的不足，本专利技术提供一种设计简单、容易理解、实现在线投运、实用性强的聚丙烯装置牌号切换控制方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 ，所述控制方法包括如下步骤1)、建立聚丙烯牌号切换过程离散时间状态空间模型，参见式(1a)和式(1b) (1a) (1b) 其中，式(1a)中，x＝′＝′、u＝＝′和y＝′＝′分别为切换到均聚物或无规共聚物牌号时的状态变量、输入变量和输出变量；式(1b)中，x＝′＝′、u＝＝′和y＝′＝′分别为切换到共聚物牌号时的状态变量、输入变量和输出变量；Ts为系统离散时间；MIc，k和MIi，k、Etc，k和Eti，k分别是第k(k＝1，2，3)个反应器的累积熔融指数和瞬时熔融指数、累积乙烯含量和瞬时乙烯含量；Tk、Ckhm、Ckmm、τk分别为第k(k＝1，2，3)个反应器的反应温度、氢气丙烯浓度比、乙烯丙烯浓度比、反应停留时间；θk(k＝1，2，3)为状态空间模型辨识参数； 将模型(1a)和(1b)统一描述为式(2) 2)、计算式(2)的稳态值，参见式(3) 其中xs、vs和us分别表示系统状态、中间变量和输入变量的稳态值； 3)、根据式(3)标定系统的状态、中间变量和输入变量，参见式(4a) Sx＝diag{sx(i)，i＝1，2，3，4}；Sv＝diag{sv(i)，i＝1，2，3，4}； Su1＝diag{su1(i)，i＝1，2，3}；Su2＝diag{su2(i)，i＝1，2，3}； (4a) Su3＝diag{su3(i)，i＝1，2，3} 其中标定系数为(4b) sx(i)＝(xs，m(i))-2，sv(i)＝(vs，m(i))-2，i＝1，2，3，4； 其中，“·s，o(i)”表示当前生产牌号对应的第i个状态、中间变量或输入分量的稳态值；“·s，m(i)”表示目标牌号对应的稳态值； 4)、根据系统一次性能指标，参见式(5) 建立式(2)中线性子系统最优控制器，参见式(6) v(t)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(t)-xs)+vs (6) 其中矩阵P是矩阵方程，参见式(7) A′PA-P+A′PB(RSv+B′PB)-1B′PA+QSx＝0 (7) 的对称正定解矩阵；其中Q≥0和R>0分别为状态和中间变量的加权矩阵； 5)、根据系统状态观测器的期望极点，运用极点配置法设计状态观测器，参见式(8) 其中L为观测器增益矩阵； 6)、系统二次性能指标，参照式(9) (9) 建立基于状态观测器的模型预测控制器，参见式(10) s.t.x(i+1)＝Ax(i)+Bg(u(i)，i)， v(i)＝-(RSv+B′PB)-1B′PA(x(i)-xs)+vs(10) x(i)∈Γx，v(i)∈Γv，u(i)∈Γu i＝t，…，t+Tp 其中，集合Γx、Γv和Γu表示切换过程的状态、中间变量和输入等约束条件； (t)表示当前t时刻的状态观测值；Wj>0(j＝1，2，3)为输入变量的加权矩阵； 在线计算有限步长动态优化控制问题，即式(10)，并根据滚动优化原理，得到基于状态观测器的模型预测控制量，参照式(11) 控制器在每个采样时刻通过状态观测器观测系统状态，并以该观测状态更新优化控制问题的初始条件，然后滚动优化计算当前时刻的预测控制量，周而复始，直到牌号切换过程过渡到目标牌号并稳定生产为止。 本专利技术的技术构思为以目前广泛采用的Spheripol丙烯聚合装置为对象(生产工艺流程如图1所示)，结合状态观测器技术和约束Hammerstein模型非线性预测控制技术，通过控制聚丙烯熔融指数和乙烯含量这两个关键质量指标的切换，实现聚丙烯装置牌号切换操作。本专利技术设计方法的优点是容易理解、使用方便，同时可以在线预报切换过程各种状态信息。本专利技术设计的控制器可以根据牌号切换的要求，经济有效地实现牌号切换(特别是非同类牌号切换)过程的自动控制。本专利技术与Seki，2001；Bindlish & Rawlings，2003中模型预测控制切换方法的区别在于，这些模型预测控制切换方法是基于聚合动力学非线性机理模型逐点线性化的设计方法。 附图2所示几个部分牌号切换过程、期望性能指标、状态观测器、回路控制器、预测器、切换控制器是组成本专利技术采用的技术方案的重要模块。其中牌号切换过程是由聚丙烯生产装置辨识得到的，同时根据现场切换操作的要求得到切换控制准确性、快速性、稳定性和经济性等多项控制期望性能指标。这些辨识对象自身的参数和性能的要求被综合考虑在切换控制器设计环节中。 本专利技术在现有工业控制计算机上可以直接运行实施，具体见附图3。本方法应用过程可以大致分为四个阶段 1、生产牌号管理，即在组态界面中确认当前生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚丙烯装置牌号切换控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：　１）、建立聚丙烯牌号切换过程离散时间状态空间模型，参见式（１ａ）和式（１ｂ）：　＊＊＊　其中，式（１ａ）中，ｘ＝［ｘ↓［１］，ｘ↓［２］，ｘ↓［３］，ｘ↓［４］］′＝［ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，１］），ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，２］），Ｅｔ↓［ｃ，１］，Ｅｔ↓［ｃ，２］］′、ｕ＝［ｕ↓［１］，ｕ↓［２］］＝［Ｔ↓［１］，Ｃ↓［１ｈｍ］，Ｃ↓［１ｍｍ］；Ｔ↓［２］，Ｃ↓［２ｈｍ］，Ｃ↓［２ｍｍ］］′和ｙ＝［ｙ↓［１］，ｙ↓［２］］′＝［ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，２］），Ｅｔ↓［ｃ，２］］′分别为切换到均聚物或无规共聚物牌号时的状态变量、输入变量和输出变量；式（１ｂ）中，ｘ＝［ｘ↓［１］，ｘ↓［２］，ｘ↓［３］，ｘ↓［４］］′＝［ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，１］），ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，２］），ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，３］），Ｅｔ↓［ｃ，３］］′、ｕ＝［ｕ↓［１］，ｕ↓［２］，ｕ↓［３］］＝［Ｔ↓［１］，Ｃ↓［１ｈｍ］，Ｃ↓［１ｍｍ］；Ｔ↓［２］，Ｃ↓［２ｈｍ］，Ｃ↓［２ｍｍ］；Ｔ↓［３］，Ｃ↓［３ｈｍ］，Ｃ↓［３ｍｍ］］′和ｙ＝［ｙ↓［１］，ｙ↓［２］］′＝［ｌｎ（ＭＩ↓［ｃ，３］），Ｅｔ↓［ｃ，３］］′分别为切换到共聚物牌号时的状态变量、输入变量和输出变量；Ｔ↓［ｓ］为系统离散时间；ＭＩ↓［ｃ，ｋ］和ＭＩ↓［ｉ，ｋ］、Ｅｔ↓［ｃ，ｋ］和Ｅｔ↓［ｉ，ｋ］分别是第ｋ个反应器的累积熔融指数和瞬时熔融指数、累积乙烯含量和瞬时乙烯含量，其中，ｋ＝１，２，３；Ｔ↓［ｋ］、Ｃ↓［ｋｈｍ］、Ｃ↓［ｋｍｍ］、τ↓［ｋ］分别为第ｋ个反应器的反应温度、氢气丙烯浓度比、乙烯丙烯浓度比、反应停留时间；θ↓［ｋ］为状态空间模型辨识参数；　将模型（１ａ）和（１ｂ）统一描述为式（２）：　＊＊＊　（２）　２）、计算式（２）的稳态值，参见式（３）：　ｖ↓［ｓ］＝＊ｇ（ｕ↓［ｓ］，ｔ），Ａｘ↓［ｓ］＝－Ｂｖ↓［ｓ］（３）　其中ｘ↓［ｓ］、ｖ↓［ｓ］和ｕ↓［ｓ］分别表示系统状态、中间变量和输入变量的稳态值；　３）、根据式（３）标定系统的状态、中间变量和输入变量，参见式（４ａ）：　Ｓ↓［ｘ］＝ｄｉａｇ｛ｓ↓［ｘ］↑［（ｉ）］，ｉ＝１，２，３，４｝；Ｓ↓［ｖ］＝ｄｉａｇ｛ｓ↓［ｖ］↑［（ｉ）］，ｉ＝１，２，３，４｝；　Ｓ↓［ｕ１］＝ｄｉａｇ｛ｓ↓［ｕ１］↑［（ｉ）］，ｉ＝１，２，３｝；Ｓ↓［ｕ２］＝ｄｉａｇ｛ｓ↓［ｕ２］↑［（...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何德峰，俞立，欧林林，何超，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]