[发明专利]空分塔的动态矩阵控制系统及方法

摘要

一种空分塔的动态矩阵控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据存储装置及上位机，智能仪表、数据存储装置及上位机依次相连，所述的上位机为动态矩阵控制器，所述的动态矩阵控制器包括组分推断控制部分和动态矩阵控制部分，所述的组分推断控制部分包括检测仪表模块、I/O元件模块以及组分推断模块，动态矩阵控制部分包括I/O元件模块、预测模型模块、反馈校正模块、滚动优化模块以及控制输出模块。以及提供了一种用该空分塔的动态矩阵控制系统实现的控制方法。本发明能够适应空分操作的动态特性、强烈的非线性、和回路之间的耦合性，控制综合效果好。

主权项

1、一种空分塔的动态矩阵控制系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表、用于存放历史数据的数据存储装置及上位机，智能仪表、数据存储装置及上位机依次相连，其特征在于：所述的上位机为动态矩阵控制器，所述的动态矩阵控制器包括组分推断控制部分和动态矩阵控制部分，所述的组分推断控制部分包括：检测仪表模块，包括温度检测元件和压力检测元件，用于检测空分塔的上塔的温度和压力；I/O元件模块，用于电信号、和数据信号在控制器内部以及控制器与DCS之间的传输，组分推断模块，用于依据检测得到的温度与压强数据推断组分，其算式为(1)、(2)：Y1=αα-1-10(a-bT1+c)(α-1)P---(1)]]>Xn=Pα10(a-Tn+cb)(α-1)-1α-1---(2)]]>其中，Y₁为空分塔中氮气产品中氮的组分，X_n为液氧产品中氮的组分，P为上塔压强，T₁、T_n分别为上塔塔顶和塔底温度，α为相对挥发度，a、b、c为安托尼常数；所述的动态矩阵控制部分包括：I/O元件模块，用于动态矩阵控制器的内部及控制器与DCS之间的电信号、数据信号的传输；预测模型模块，用于通过阶跃测试得到动态矩阵控制算法所基于的非参数阶跃模型，具体实施步骤如下：(1)对搭建好的开环系统做阶跃响应得到阶跃响应曲线。(2)确定模型时域长度N，对于渐进稳定的系统，其阶跃响应在有限采样周期后将趋于稳态值即a_N≈a(∞)，并确定模型时域长度N，N取20～60；(3)选取合适的控制器采样周期T，T的选取应满足NT时刻过程响应值已接近其稳态值；(4)在各采样时间t＝T、2T、3T、…、NT从DCS中的动态数据库里获得一序列采样值，它们用动态系数a₁，a₂，a_N来表示；(5)将其一般化为单位阶跃响应后，采样数据的有限集合构成DMC算法中的预测模型参数；反馈校正模块，用于用实际输出误差来修正由于模型误差和扰动所造成的系统的输出预测值的偏差，最终确定当前时刻的预测时域内系统输出的预测值，其算式为(3)：Y_p(k+1)＝Y_m(k+1)+h[y(k)-y_m(k)]＝AΔU(k)+A₀U(k-1)+he(k)                (3)式中Y_p(k+1)＝[y_p(k+1)，y_p(k+2)，L，y_p(k+P)]^T为反馈校正后的模型预测输出矢量，e(k)＝y(k)-y_m(k)为实测输出y(k)和预测值y_m(k)之差；h＝[h₁，h₂，L，h_P]^T，h_j为对应于第j步输出的反馈校正系数；A=a10Λ0a2a1Λ0MaPaP-1ΛaP-M+1P×M]]>A0=aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3aN-3-aN-4La3-a2a20aN-aN-1aN-1-aN-2aN-2-aN-3La4-a3a3MMMOLMM000aN-aN-1LaP+2-aP+1aP+1P×(N+1)]]>式中，P为预测时域长度，M为控制时域长度；滚动优化模块，用于基于预测模型模块、反馈校正模块和动态控制算法运算得到当前时刻的控制器输出，具体实施步骤如下：(1)根据设定值，确定当前时刻起的未来预测时域内的输出参考轨迹，选取上采用如下的一阶指数形式，其算式为(4)：y_r(k+i)＝α_rⁱy(k)+(1-α_rⁱ)y_set      (i＝1，2，…)    (4)y_r(k)＝y(k)其中y_set为y的设定值，α为柔性因子；(2)选取合适的误差加权矩阵Q，Q＝diag(q₁，q₂，…，q_P)和控制加权矩阵R，R＝diag(r₁，r₂，…，r_M)；(3)运算当前时刻的控制器输出，其算式如下(5)：Δu(k+i-1)=diT[Yr(k+1)-A0U(k-1)-he(k)]---(5)]]>其中diT=(ATQA+R)-1ATQ,]]>Y_r(k+1)＝[y_r(k+1)y_r(k+2)Ky_r(k+p)]^T，U(k-1)=u(k-N+1)u(k-N+2)Mu(k-1)]]>二次曲线拟和模块，用于对数据存储装置中得到的历史数据进行二次曲线拟和，得到产品氮气中的氮组分Y₁关于下塔液氮液氧至上塔的回流量R的二次方程：Y₁(k)＝a₁×R(k)²，以及产品液氧中的氮组分Xn关于液氧产品的输出流量L的二次方程：X_n(k)＝a₂×L(k)²，并通过二次方程直接将控制器输出Δu换算成对应的R(k)，L(k)值。控制输出模块，用于将计算得到的R(k)，L(k)的数据信号输出到空分塔。