注:红色字体仅供参考 先进控制在氯乙烯精馏中的应用 中控技术公司 马越峰 赖景宇
摘 要:本文介绍了氯乙烯精馏过程中先进控制的应用,包括应用较多的预测函数控制、神经元控制、专家控制等;经实践证明预测函数控制是应用效果较好的一种方法,本文对此作了重点介绍。 关键词:氯乙烯精馏 精馏塔控制 先进控制 预测函数控制
1 工艺流程
粗氯乙烯经压缩机进入全凝器,经过冷却使粗氯乙烯冷凝液化。液体氯乙烯借助位差进入水分离器,再借助密度连续分层,进入低沸塔。全凝器中未冷凝气体进入尾气冷凝器,作为回流液返回低沸塔顶部。低沸塔底部的低沸釜经过热水加热将液相中低沸物蒸出。气相沿塔板向上流动与塔板上液相进行热量和质量的交换,最后经塔顶冷凝器以-10℃
冷冻盐水将其冷却作为塔顶回流液,不凝气体亦由塔顶经全凝器通入尾气处理。低沸塔底除去低沸物的氯乙烯借助位差经过中间槽进入高沸塔,经过高沸塔的加热,把沸点低的氯乙烯组分蒸馏出来,经成品冷凝器进行冷凝进入单体贮槽中,高沸物由塔底的两位阀排出(见图1)。
图1 氯乙烯精馏过程工艺流程 2 控制方案介绍
由低塔和高塔组成的氯乙烯精馏过程具有大滞后、模型阶次高、动态响应慢、非线性严重、控制变量多、控制回路关联性强、在线测量困难、操作波动大等特点;针对这些特点工业上对氯乙烯精馏过程进行了深入研究,发展了多种控制方案,常见的包括常规PID控制、多变量预测控制、神经元控制、专家控制等。
2.1 常规PID控制
氯乙烯精馏控制中,常规PID控制由于方案简单、技术成熟等诸多特点,仍然是目前工业中应用最广泛的控制手段(参考图1),以下作简单介绍。
控制方案包括:低沸塔控制,由尾排压力控制、过料控制、低沸釜加热温度控制和低沸塔回流控制四个回路组成。高沸塔控制,由高沸塔液位控制、高沸塔顶温度控制、成品压力控制三个回路组成。过料控制(LIRCIO1)中将低沸塔温差(TDE101)和低沸釜阀门开度作为前馈加入该控制回路中,用于克服干扰因素,同时也提高了控制精度。高沸塔的液位控制(LIRC201)中将低沸塔过料阀开度、高沸塔回流阀开度、高沸塔液位阀开度、高沸塔釜温度、高沸塔压差和高沸塔提馏段温差作为控制回路的补偿引入高沸塔液位控制回路中。除上述两回路外,其他回路控制均为单回路控制。
上述控制方案经过适当调试,在工况稳定的情况下可以较好地满足控制要求。但当工况出现较大波动(这是很常见的情况)时,常规PID控制的控制效果往往不够理想。另外常规PID控制没有考虑精馏过程的最优化问题以及对于双塔系统中一些耦合关系的解耦问题,表现出了一定的局限性。
2.2 神经元网络控制
人工神经网络(ANN)由于能够充分逼近任意复杂的非线性关系和能够学习与适应严重不确定性系统的动态特性,可以直接学习对象的输入到输出的非线性映射,因而克服了传统的自动控制方法对被控对象数学模型的依赖。神经网络作为一种新的计算处理模型,又由于其大规模并行分布处理能力,因而在多变量大系统的控制方面存在巨大的潜力。 精馏塔工艺过程正是这样一个复杂的非线性过程,因而应用人工神经网络进行控制也是十分合适的。在常用的神经元模型中BP神经网络由于具有较强的拟合非线性函数的能力,所以被比较广泛地采用。BP网络的建立首先要确定网络的输入、输出节点,以及隐含层的数量与每层的节点数。通过分析精馏工艺可以得到影响精馏过程的主要因素,例如进料流量、塔顶温度、塔釜液位等,将这些因素作为输入节点;同时将操作变量(阀位)作为输出节点。关于网络的隐含层数量常用的模型为单隐含层网络。
精馏塔控制中也有将常规PID与神经元网络结合的控制方法,将神经元应用于PID的输出处理,比单纯的PID控制可以更好地响应精馏过程的特点。
2.3 专家控制
专家控制(Expert ControI)是智能控制的一个重要分支。专家控制的实现是自动控制理论和方法与人工智能专家系统技术结合的过程。专家控制的特点是不需要建立精馏过程比较准确的数学模型,这对于复杂的精馏过程比较适合。 氯乙烯精馏过程的专家控制是根据物料平衡、能量平衡、汽液平衡三大平衡的内在规律,综合性地考虑多方面的制约与协调,并结合专家和操作人员的经验建立实时专家监督控制系统。对于氯乙烯精馏操作来说,它存在许多约束条件,如:a.精馏塔不能出现液泛和滴流;b.要有足够的塔压降以保证塔的有效操作;c.塔顶和塔釜温度、压力必须控制在一定范围内;d.再沸器进出口水温差必须大于临界值以保证换热;e.水分离器和中间槽的物料不能满罐或排空等。
专家控制的实施过程是:在过程工况比较稳定、负荷变化不大的情况下,系统读入工艺参数,进行各种控制策略的运算,输出信号到各控制回路。当系统出现异常工况时,系统引入专家系统监督控制的方法,将专家或操作人员的操作经验加以总结归纳,并进行理论分析研究,在知识库中采用产生式表示方法设置若干模糊规则,用以处理一般控制方法难以处理的精馏对象的控制问题。
氯乙烯精馏过程中引入实时专家监督控制,在上海某化工厂氯乙烯精馏工段得以较好应用,有效地抑制了多种干扰和不确定因素的影响,有关被控变量能够经受干扰的袭击,具有良好的静态和动态品质。
2.4 预测函数控制
预测函数控制(PFC)最早由Richalet及Kuntze等人在80年代中后期提出、并在工业机器人快速高精度跟踪控制中取得了较好效果的第三代模型预测控制算法。PFC把控制输入的结构视为关键问题,可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题。同时由于其具有较好的跟踪能力及较强的鲁棒性,所以PFC在工业过程中得到了广泛应用。由于PFC仍属于模型预测控制的范畴,因此它仍具有模型预测控制的三大原理,即内部模型(预测输出)、滚动优化和反馈校正。
⑴内部模型(预测输出)
PFC认为其预测模型输出ym(k)由两部分组成,一部分为模型自由响应yl(k),它仅仅依赖过去时刻的控制量及输出量,与当前时刻及将来时刻的控制量无关;另一部分为模型的受迫响应yf(k),它是当前时刻起加入控制作用后新增加的模型响应。与传统的模型预测控制算法不同,PFC将输入结构化,即把每一时刻的控制输入看作是若干事先选定的基函数ubn的线性组合,如式(1)所示;模型受迫响应yf(k)是上述基函数作用于对象的响应的加权组合,如式(2)所示;则模型的预测输出ym(k)如式(3)所示:
⑵滚动优化
在PFC的优化算法中,未来控制作用是通过迭代、最优化、约束限制等一系列步骤来实现的。最常用的方法是在优化点上参考轨迹和预测过程输出的误差平方和最小化,其在线优化性能指标如式(4)所示,其中[H1,H2]是优化区间。
式中 为过程的预测输出,ym(k+i)是k+i时刻的模型输出,e(k+i)是未来误差,由反馈校正模块得到,yr(k+i)是k+i时刻的参考轨迹。
⑶反馈校正
PFC是一种闭环控制算法,在实际情况下由于二次输入、噪声及实际系统存在的非线性、时变性等因素造成的模型失配等影响,从而会引起预测模型的预测输出与对象实际输出之间的一定偏差,叫预测误差。将预测误差通过一个预估器,对未来优化时域中的误差进行预测,并作为前馈量引入参考轨迹加以补偿。在PFC中,可根据设定值和对象的性质、干扰的持续时间以及提供的计算时间等因素采用各种不同的预测方法。例如可以取未来的误差为:
e(k+i)=yp(k)-ym(k)
(6)
其中ym(k)为当前时刻的模型输出,yp(k)是当前时刻的系统输出。
PFC的各个部分之间的关系可以用图2来描述。由于基函数及其响应均可事先离线计算,在线计算只在于少量线性加权系数的参数优化,因此PFC的在线计算量比一般的模型预测控制算法显著减少。同时PFC的控制变量结构规律明确,比模型算法控制有很大改进,这是PFC的又一个优点。 在PFC算法中,其调节手段有基函数、参考轨迹和优化时域。其中控制精度取决于基函数的选择;动态响应主要受参考轨迹影响,同时受优化时域的影响;系统稳定性和鲁棒性主要由优化时域起作用,但也受参考轨迹的影响。其具体的闭环控制性能与可调节参数之间的关系如表1所示。因此在控制系统设计时,可以按照闭环控制性能要求很快整定得到PFC控制器的有关参数。这是PFC的另一个优点。
表1 闭环系统的性能与调节手段之间的关系
| 控制精度
| 动态特性
| 鲁棒性
| 基 函 数
| 2
| 0
| 0
| 参考轨迹
| 0
| 2
| 1
| 优化时域
| 0
| 1
| | 表1中的数字0、1、2表示调节手段对控制性能的影响程度,数字越大表示影响程度越大,0表示没有影响。
⑷PFC在氯乙烯中的应用
在VCM精馏控制方案中应用PFC为监督层,常规PID控制为控制层的透明控制结构的先进控制系统。由于控制层采用频率较高的常规PID控制,可以抑制系统的二次干扰,而PFC具有较强的鲁棒性、抗干扰能力和快速跟踪能力等,可以保证控制系统的快速性和稳定性。
⑸PFC模型举例
其模型采用如图3的结构。以低塔塔顶温度、低塔塔顶压力、低塔塔釜温度、低塔塔釜液位、高塔塔顶温度、高塔塔顶压力、高塔塔釜液位为精馏系统的被控变量;以尾气排空、低塔再沸器加热量、低沸塔塔顶冷剂量、低塔到高塔的中间过料量、高塔再沸器加热量、高塔冷剂量、成品冷凝量为精馏系统的操作变量。
图3 控制结构图 以PFC为监督层,常规PID控制系统为控制层。图3所示的是一个分为上下两层的控制结构,下面一层是常规的PID控制,上面一层是以下一层PID闭环回路为控制对象的监督控制,其控制输出用来修正PID闭环回路的设定值,透明控制结构结合了PFC及常规PID控制的优点,其控制效果明显优于常规PID控制。此模型在青岛某化工厂和江苏南通某氯碱厂等国内多家PVC厂家的氯乙烯精馏装置上得到了应用,并获得良好控制效果,特别是温度控制的精度和稳定性得到大幅提高。另外,此模型也适用于其他精馏过程的控制。
3 小结
对于氯乙烯精馏过程的优化控制必然是应用先进控制来实现的,目前在此系统中采用的多种先进控制方法都有各自合理与适用的方面。就目前的应用情况来看,预测函数控制是对精馏过程更为合适的一种先进控制方案,取得了很好的控制效果,应用前景看好。
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