甲醇合成過(guò)程控制的算法設計

第25卷第8期計算機仿真2008年8月文章編號:1006-9348(2008)08-0086-04甲醇合成過(guò)程控制的算法設計沈艷河,陳鐵軍,李新瑞,姜海波(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院河南鄭州450001)摘要:分析了甲醇合成機理得出以煤氣聯(lián)產(chǎn)甲醇具有系統滯后大動(dòng)態(tài)特性復雜且存在大千擾的特點(diǎn)為了增加甲醇產(chǎn)量和降低能耗,并提高系統的控制能力增強系統的靈活性和可靠性。引人鏈系統控制方法以甲醇合成回路經(jīng)濟效益最大單位甲醇能耗最低為控制目標找到影響甲醇單耗和產(chǎn)量的主要因素建立有產(chǎn)量和能耗兩條主要因果鏈組成的互相關(guān)聯(lián)的鏈系統模型。設計了甲醇合成過(guò)程的鏈預估算法和鏈控制系統。仿真顯示為甲醇合成系統建立的鏈系統模型穩定性和抗干擾能力強,容錯性好控制精確。有很好的應用前景和市場(chǎng)潛力。關(guān)鍵詞:甲醇合成;鏈系統;預估中圖分類(lèi)號:TP391文獻標識碼:AAlgorithm Design of Process Control in Methanol SynthesisSHEN Yan-he, CHEN Tie-jun, LI Xin-rui, JIANG Hai -boSchool of Electric Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan 450001, China)ABSTRACT: The mechanism of methanol synthesis is analyzed. It can be found that the system of methanol gas co-generation has large delay, complex dynamic characteristics and large disturbance. In order to increase methanol out-put and reduce energy consumption and improve the ability to control and enhance the flexibility and reliability, achain control algorithm is introduced. The algorithm takes the most economic benefit of synthesis circuit and the mini-num energy consumption of unit methanol as the control target, and finds out two major factors that affect the energyconsumption and output, and builds a chain system model consisting of two related chains. The paper dprediction arithmetic and the chain control system for the methanol synthesis process. The simulation demonstratesthat the chain system model has strong stability, and anti-interference, fault-tolerant ability. It has a very goodapplication prospect and the market potentialKEYWORDS: Methanol synthesis; Chain system; Prediction的合理應用。由于甲醇合成反應的大滯后,系統動(dòng)態(tài)特性復1引言雜,具有大干擾等問(wèn)題,使得前述控制方法所建立的模型和甲醇合成過(guò)程的控制受到多方面的關(guān)注出現多種控制控制方案在實(shí)際應用中仍未達到滿(mǎn)意效果。方案?；趯?zhuān)家經(jīng)驗的甲醇合成塔控制方案,采用離散控制本文從產(chǎn)量和甲醇單耗兩方面綜合考慮,以經(jīng)濟和社會(huì )系統中的PD控制模塊實(shí)現常規控制采用專(zhuān)家經(jīng)驗及相關(guān)綜合效益最高為控制目標。采用鏈系統控制方法,分析甲醇的算法實(shí)現先進(jìn)的控制,使得催化劑的使用壽命有所延合成機理找出影響甲醇產(chǎn)量和能耗的主要因果關(guān)系鏈,建長(cháng),經(jīng)濟效益有所提高?；诜蔷€(xiàn)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的甲醇合成塔立一種鏈系統結構模型該模型對大滯后的甲醇合成系統有控制方案采用非線(xiàn)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構模型,并用數學(xué)方法直很強的穩定性抗干擾能力和容錯性。模型中甲醇合成系統接去求解,使得模型具有很強的表達能力又避免了冗長(cháng)的訓是由互相關(guān)聯(lián)的兩條因果鏈組成第一條鏈是溫度鏈第二練過(guò)程?，F在已經(jīng)有人設計并實(shí)現了基于遺傳算法和神條是氣流量鏈。對鏈系統結構建立動(dòng)態(tài)數學(xué)模型并經(jīng)過(guò)預經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的在線(xiàn)優(yōu)化軟件包,但該軟件應用的成功與否仍然估和中國煤化工價(jià)是依賴(lài)于建立的甲醇合成過(guò)程模型的正確建立和優(yōu)化算法CNMHG基金項目:河南省杰出人才創(chuàng )新基金(5210010)實(shí)際系統的運動(dòng)特性往往很復雜,一般都存在非線(xiàn)性收稿日期:2007-06-25修回日期:2007-07-18各種因素受到約束,它們之間存在互異的滯后等,為了獲得86好的控制效果對象模型中應當考慮到這些特性。我們要設(+1)=F(x(a)x1(t-4:)(1)計的控制系統常?？赡懿粌H僅是一個(gè)小而簡(jiǎn)單的裝置由于式中種種原因,希望整個(gè)系統的控制功能逐個(gè)地投入實(shí)際,也就41為滯后步數,;v∈Z是說(shuō)控制系統能根據需要在線(xiàn)擴大,控制系統在運行過(guò)程變量串中出現故障進(jìn)行部分維修都在所難免,自然希望其余部分X()=|z(t--)|Am∈Nl仍在正常運行。這些要求又使問(wèn)題更加復雜化了。而人們下標集通過(guò)在復雜問(wèn)題中區分主次關(guān)系,尋找出主要矛盾的分析方N=hmn|0≤<∞im=0,1,…,k法使問(wèn)題的過(guò)程簡(jiǎn)化。陳鐵軍認為,受控系統中也應當存在1,2,…,plll種主次關(guān)系,而不是一個(gè)籠統的整體。鏈系統方法正是基鏈系統方法為受控對象建立一種結構分散化模型,它既于這樣的原則而被提出的,它是對復雜系統進(jìn)行結構分散化含有整體系統的因果結構,又包含單元間的相互關(guān)聯(lián)。此具的研究,即測量信息和結構信息均分散的控制思想,但又不有網(wǎng)狀結構的模型,按照一定意義下的主要因果關(guān)系,被抽同于一般的分散控制,因為鏈系統方法充分考慮了各子系象出一種鏈狀結構我們稱(chēng)之為鏈系統統之間以及子系統和整體之間的信息關(guān)聯(lián)和傳遞。這種模型比一般多輸人多輸出系統含有更多的信息量,鏈系統是有一些多輸入單輸出子系統構成,它們按照鏈可以用來(lái)設計具有高可靠性和強魯棒性要求的控制系統結構串聯(lián)成一條條的鏈,而子系統之間鏈之間一般存在任鏈系統中的每個(gè)單元是一種多輸入單輸出系統,通過(guò)關(guān)聯(lián)與意的關(guān)聯(lián),子系統的模型一般是非線(xiàn)性的,并且考慮到實(shí)際其他相關(guān)單元相關(guān)聯(lián)。通過(guò)自身動(dòng)態(tài)變化和單元間相互影系統中對各變量的約束和存在各環(huán)節的任意互異的時(shí)滯,設響過(guò)成,共同描述對象的整體運動(dòng)特性。針對每個(gè)單元設計計工作都在子系統級進(jìn)行。在一定條件下,子控制器不必掌單元預測系統和控制系統,它通過(guò)接受本單元相關(guān)信息和直握整個(gè)系統的全部模型和所測量信息就能得到使整體系統接關(guān)聯(lián)的單元的測量和預測信息,預測該單元的運動(dòng)趨勢,具有滿(mǎn)意運動(dòng)品質(zhì)的控制效果。并分析判斷作出該單元的控制決策。各單元預測系統按照多輸人多輸出系統可用圖1表示。研究對象的關(guān)聯(lián)模式相互關(guān)聯(lián),并經(jīng)由關(guān)聯(lián)傳遞單元預測信息,共同完成對整體系統未來(lái)一定時(shí)間動(dòng)態(tài)特性的預測,而各單元控制系統也經(jīng)由關(guān)聯(lián)傳遞控制信息,從而完成對整體系統的控制。單元預測系統的設計和計算是獨立的和并行∑的單元系統可以是不同性質(zhì)和不同模式的,能夠適用于大型復雜系統地分析預測圖1多輸入多輸出系統3合成甲醇的工藝流程簡(jiǎn)介生產(chǎn)裝置中以煤為原料,用煤氣聯(lián)產(chǎn)甲醇技術(shù)。得到的◆其中為,是受控輸出,,,:2“是中間測煤氣經(jīng)耐硫加壓變換和低溫甲醇洗凈化后得到新鮮氣。甲出,1,…是控制輸入,pl,P和q均為固定的有限醇合成系統中新鮮氣通常含有CO,CO2,H2,CmOH,H20,正整數。N2,CH4等組分,其中CO,CO2為關(guān)鍵組分。甲醇合成塔內再把多輸入多輸出系統按照復雜系統的主要因果關(guān)系,的主要反應有以下三個(gè)得到從控制輸入經(jīng)若干測量輸出,最后達到受控輸出的鏈狀反應1CO+H2CH3OH-Q1因果結構,如圖2所示的一條鏈結構。反應2CO2+H2CHOH-Q2反應3cO2+H2*CO+H2-Q3其中Q3=Q1-Q2i0反應1,反應2兩個(gè)平行反應為獨立反應。甲醇合成簡(jiǎn)化流程圖如圖3所示,從凈化工段來(lái)的脫硫后的甲醇合成氣圖2鏈因果結構圖經(jīng)聯(lián)合壓縮機的合成氣壓縮短壓縮后,與甲醇分離器來(lái)得循環(huán)氣混合后,進(jìn)入循環(huán)氣壓縮階段,升壓至合成反應壓力,送其中,為控制輸入;n、-…z-1為中間測量輸出;z至入塔氣預熱器預熱之反應溫度后,有頂部進(jìn)入甲醇合成為受控輸出;a,na,…,為次要因素或鏈系統中的其它鏈塔中國煤化工劑的作用下,部分C0中的因素對該鏈對應子系統得擾動(dòng)。Σ=1,…,k稱(chēng)為因co2的氣體和粗甲醇的出口果鏈中的單元。對子系統模型具體化,則為此所研究的受控氣被CNMH,卩醇露點(diǎn)溫度以下依次系統的運動(dòng)特性能用離散測量變量構成的動(dòng)態(tài)方程描述則經(jīng)過(guò)脫鹽水預熱器、循環(huán)水冷卻器后,在分離器中進(jìn)行氣液以z為輸出的子系統Σ的離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型一般取形為分離液體進(jìn)入閃蒸槽,經(jīng)閃蒸出溶解在甲醇中的大部分氣體然后送到甲醇精餾工段B1=860.21KJ/Kmol循環(huán)氣A2=9.147×10K/Kmol弛放氣4甲醇合成系統的因果分析及建模甲醇合成反應是強放熱反應,必須用冷卻介質(zhì)帶走熱為了簡(jiǎn)化分析并盡可能的接近實(shí)際在一定進(jìn)料新鮮氣量,以確保觸媒溫度不致過(guò)高。根據化學(xué)反應原理,隨著(zhù)反流量和組成條件下以產(chǎn)量和單位甲醇的能耗為控制目標進(jìn)應溫度的升高,反應速率會(huì )加快,但化學(xué)平衡常數會(huì )下降行分析。因此,在甲醇合成反應中存在最佳反應溫度區。工廠(chǎng)實(shí)際也是隨著(zhù)反應塔床層敏點(diǎn)溫度的升高甲醇的產(chǎn)量明顯增加而到溫度增加到一定程度甲醇的產(chǎn)量反而降低。反應塔床層敏點(diǎn)溫度主要受沸騰水溫度的影響,調節沸騰水壓力改變沸騰水飽和溫度來(lái)控制床層溫度是最有效的措施。甲醇合成反應的均相數學(xué)模型為:axon)dy:-Codp[co(1-2yco )-fco x 2y]/(121-新鮮氣2-入塔氣3-出塔氣絕熱段4-粗甲醇5-弛放氣d圖3甲醇合成的簡(jiǎn)化流程圖d[(-△Hnc)re管殼段我們知道”,在一定的新鮮氣的供應下,甲醇合成回路d的消耗主要來(lái)自于壓縮循環(huán)氣所消耗的動(dòng)力與弛放氣離開(kāi)[(-△Hco)ra+(-△Hmo2)fra2反應系統所帶走的損耗其它消耗要么基本不變要么可以Km(-)忽略不計。在甲醇生產(chǎn)過(guò)程中將反應氣體排離反應系統所NC(11)帶來(lái)的損耗也是不容忽視的,它直接關(guān)系到甲醇合成回路的式中L=0時(shí),=,yo=yc,,ym2=yo2新鮮氣的損耗。通過(guò)對甲醇合成機理的分析,由于甲醇循環(huán)邊界條件D=N(1-2y如-2yam2m)/(1-2ya-車(chē)封和入就氣流歌支23m用身來(lái)解述分方程組,可圓放的損失遠超過(guò)由于增加循環(huán)氣流量而引起的能量消耗;同再根據甲醇合成機理,分析主要因果關(guān)系找到兩條因果樣道理,單純增加循環(huán)氣流量使一定負荷(循環(huán)氣流量)下鏈第一條鏈是溫度鏈M,第二條鏈是氣流量鏈,在此基甲醇單程轉化的總量最高,從而可減少弛放氣的排放量但礎上做以下假設:壓縮機功耗的顯著(zhù)增加也會(huì )造成合成回路效益的降低,因此假設沸騰水壓力調節閥為:,沸騰水溫度為z1,反應塔在一定情況下存在一個(gè)最優(yōu)的循環(huán)氣流量的取值。通過(guò)物系統熱點(diǎn)溫度2,把入塔氣氫碳比、弛放氣流量、入塔氣流料衡算得催化床中瞬時(shí)摩爾流量N與N反應器進(jìn)口摩爾流量、入塔氣溫度等對x12影響的綜合效應看作擾動(dòng)v,且k1=量之間的關(guān)系為2,反應塔溫度鏈(即溫度鏈)Ll為N=N.(1-2y.)/(1-2y-2y-)Ll=|<,h1>,<,>|,k1=2其中催化床中各組分摩爾分率分別為假設弛放閥開(kāi)度為z如,弛放氣流量為z,循環(huán)氣流量為z2,ym=(y2-2y-3y-)xB+2ym+3yam2(3)忽略弛放閥門(mén)動(dòng)作的過(guò)渡過(guò)程壓差對動(dòng)21的影響作為擾動(dòng)y.=(a, in+yoo, i+yco, i )B(4)tx,把冷凝器溫度、分離器液位、分離器壓力等對z2影響的(5)綜合效應看作擾動(dòng)m2,且k2=2,循環(huán)氣流量鏈(即氣流量ymo=(ymo. +yco,,)xB-yoor(6)鏈)為(7)>},k=2式中甲醇合中國煤化工B=(1-2yc-2ym2)/(1-2ym-2ya2=)CNMH動(dòng)態(tài)模型-取形為根據實(shí)際生產(chǎn)情況和有關(guān)研究結果,我們取能耗的經(jīng)2(+1)=F(X4()x1(t-4-1)濟指標為:其中X是和輸出有關(guān)的變量串集合它有兩部分組成:一部88其中P1P2為設計參數有(8),(9)再結合(5),(6)可得到溫度鏈如下控制算法x()=[(1-P2)x(+D1)+(P2-b1)(t-D1-11t)]/b2(t+D1)=[(1-p1)22(t+D2)+(P1-a1)+Du2-11)-a3z(t+D2--1)-"]/a2(2)其中a1,a2,a3,b,b2為辨識參數,P1,P2為設計參數,x分別為1,的期望值,1,12分別為1,x12的預估值氣流量鏈的控制方法也可以通過(guò)上面的方法得到。圈4甲醇合成系統的豔系統橫型框圖6系統仿真及結果分是對∑有直接作用的控制輸入,另一部分是對∑有關(guān)聯(lián)在研究和試驗過(guò)程中作了如下一些約束另外制定了試作用的其他單元的測量輸出;z;-∈2,是對單元Σ輸驗目標。出,有直接影響作用的輸入;4-1是列-:相對于2的滯后步約束條件:新鮮氣流量和組成一定數。F,是待辨識的參數集合是擾動(dòng)。因此可以得出各單控制目標:系統熱點(diǎn)溫度253±4℃,循環(huán)氣流量為(30±2)×10Nm3/h。z2(t+1)=a1an(1)+嗎21(-d2)+ah2(-4)+仿真方法我們跟據工廠(chǎng)實(shí)際狀況,每隔6分鐘采集(12)次系統數據共采集60組數據根據現場(chǎng)采集數據采用最小1(t+1)=b11()+b20(t-4)(13)二乘法對系統模型進(jìn)行參數辨識然后經(jīng)過(guò)預估突出控制方z2(4+1)=;(x)+en(4-2)+n(t-)+n1法并用推出的控制方法進(jìn)行控制。下轉第130頁(yè))z2(t+1)=d1z1(1)+d2-(t-d)+v其中,b2,c1,c2,c3,d1,d2由最小二乘法辨識得到5模型預估和控制甲醇合成系統存在大滯后性,而克服時(shí)滯,提高控制品質(zhì)的有效方法是預估。在單采樣周期鏈系統中,因變量x相對于果變量z的滯后步數為d-1+1,而z相對于z的滯后為D,=∑(4m+1),則溫度鏈預估模型為:in(t+Dul t)=biu(t+ Du-111)+b241o(n)(16)in(t+D, t)=a, i(4+ Du -1I1)+ai1(++DoR1)+嗎h(+Dn唱-1)+購(-X)2(n)類(lèi)似可寫(xiě)出氣流量鏈預估模型。做如下假設Pi12(t+Da)=H12(t+D12),其中z(t)是z2(t)的期望值。i1(+Da1t)=pi(t+Da-1|)+(1-p1)(t+D2)(19)中國煤化工用同樣方法也可以得到iHCNMHGi1(t+D1l1)=P2in1(t+D1-11t)+(1、-P2)(t89況,從以上的分析可以看出,該系統可以較大的增加輸出信[4]馮嫚謝顯中楊柳羅新波.MDMO的聯(lián)合發(fā)送技術(shù)在TD噪比,即增加了系統容量,最終改善系統誤碼率性能。仿真SCDMA中的研究[M].微計算機信息22(11-3)表明該系統切實(shí)可行而且該系統能夠明顯改善現有TD-[5] J F Frigon, A M Eltawil, E Graver, A Tarighat,HZou. DesignSCDMA系統的性能。然而我們也必須注意到,在 Alamouti解碼前的信道重建是以能夠較為準確的估計出系統信道特bile Terminal[ J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems征為前提的,因此是否可以準確的估計出信道特征是制約該I: Fundamental Theory and Applications( Accepted for future系統性能的關(guān)鍵之一,再者,由于雙天線(xiàn)使用了不同的擴頻[6]謝顯中等.基于TDD的第四代移動(dòng)通信技術(shù)[M],北京:電碼使得與原系統相比較,該系統使用的擴頻碼數目將是原子工業(yè)出版杜,2006來(lái)的兩倍,如果擴頻碼的數目可不子考慮那么使用該系統[7]黃華生,蔣渾、聯(lián)合檢測技術(shù)在第三代移動(dòng)通信中的應用(就是一種不錯的選擇。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),2002,1:13-20參考文獻[作者簡(jiǎn)介[1 Mohinder Jankiraman. Space - time codes and MIMO systems章堅武(19617-),男(漢族),淅江杭州人博[].Boston London: Artech House, Inc. 2004士教授,主要從事通信領(lǐng)域特別是移動(dòng)通信與個(gè)[2] Ruly Lai-U Choi, etc. On Strategies of Multiuser MIMO Transmit人通信領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作,具有較強的科研工Signal Proceasing[J]. IEEE Trans. on Wireless Communica作能力和創(chuàng )新能力n,2004,3(6):1936-1941孫雯(1982.10-),女(漢族),浙江余姚人,碩[3] Robert W Heath Jr, Arogyaswami Paulraj, Characterization of MI士生,主要從事智能天線(xiàn)MMO算法研究Mo Channels for Spatial Multiplexing Systems[C]. Proc. 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