甲醇合成过程控制的算法设计

第25卷第8期计算机仿真2008年8月文章编号:1006 -9348(2008)08 -0086 -04甲醇合成过程控制的算法设计沈艳河,陈铁军,李新瑞,姜海波(郑州大学电气工程学院,河南郑州40001)摘要:分析了甲醇合成机理,得出以煤气联产甲醇具有系统滞后大,动态特性复杂且存在大f扰的特点,为了增加甲醇产量和降低能耗,并提高系统的控制能力,增强系统的灵活性和可靠性。引人链系统控制方法,以甲醇合成回路经济效益最大，单位甲醇能耗最低为控制目标,找到影响甲醇单耗和产量的主要因素,建立有产量和能耗两条主要因果链组成的互相关联的链系统模型。设计了甲醇合成过程的链预估算法和链控制系统。仿真显示为甲醇合成系统建立的链系统模型稳定性和抗干扰能力强,容错性好,控制精确。有很好的应用前景和市场潜力。关键词:甲酶合成;链系统;预估中團分类号:TP391文献标识码:AAlgorithm Design of Process Control in Methanol SynthesisSHEN Yan - he ,CHEN Tie - jun,LI Xin - rui ,JIANG Hal - bo(School of Electic Engineering, Zhenghou Univernity, Zhengzhou Henan 450001 ,China)ABSTRACT: The mechanism of methanol synthesis is analyzed. It can be found that the system of methanol gas cogeneration has large delay , complex dynamice 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 beneft of syntheis circuit and the mini-mum energy consumption 'of unit methanol as the control target, and finds out two major factors that afet the energyconsumption and output, and builds' a chain system model consisting of two related chains. The paper designs theprediction arithmetic and the chain control system for the methanol syntheis 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 potential.KEYWORDS: Methanol eynthesis ;Chain system;Prediction的合理应用。由于甲醇合成反应的大滞后系统动态特性复1引言杂,具有大千扰等问题，使得前述控制方法所建立的模型和甲醇合成过程的控制受到多方面的关注,出现多种控制控制方案在实际应用中仍未达到满意效果。方案。基于专家经验的甲醇合成塔控制方案,采用离散控制本文从产量和甲醇单耗两方面综合考虑,以经济和社会系统中的PID控制模块实现常规控制,采用专家经验及相关综合效益最高为控制目标。采用链系统控制方法,分析甲醉的算法实现先进的控制'),使得催化剂的使用寿命有所延合成机理,找出影响甲醇产量和能耗的主要因果关系链,建长,经济效益有所提高。基于非线性神经网络的甲醇合成塔立一种链系统结构模型,该模型对大滞后的甲醇合成系统有控制方案,采用非线性神经网络结构模型,并用数学方法直很强的稳定性,抗干扰能力和容错性。模型中甲醇合成系统接去求解,使得模型具有很强的表达能力又避免了冗长的训是由互相关联的两条因果链组成,第- -条链是温度链,第二练过程(4)。现在已经有人设计并实现了基于遗传算法和神条是气流量链。对链系统结构建立动态数学模型,并经过预经网络的在线优化软件包[5] ,但该软件应用的成功与否仍然估和控制达到了提高产量降低单耗的目标。是依赖于建立的甲醇合成过程模型的正确建立和优化算法2链系统方法概述基金项目:河南省杰出人才创新基金(521000100)实际系统的运动特性往往很复杂,一般都存在非线性，收稿日期:2007-06-25修回日期:007 -07 -18各种因素受到约束,它们之间存在互异的滞后等,为了获得--86一-好的控制效果,对象模型中应当考虑到这些特性。我们要设q(t+1) = F(X())5.(t-4)’(1)计的控制系统常常可能不仅仅是一个小面简单的装置,由于式中种种原因,希望整个系统的控制功能逐个地投人实际，也就娘为滞后步敷,与e z是说,控制系统能根据需要在线扩大，控制系统在运行过程变量串中出现故障,进行部分维修都在所难免,自然希望其余部分X(1) = {xm(t-4-L)1hme N|仍在正常运行。这些要求又使问题更加复杂化了。而人们下标集通过在复杂问题中区分主次关系,寻找出主要矛盾的分析方Ng= {hml0≤dL <∞;m=0,1,.k,法使问题的过程简化。陈铁军认为，受控系统中也应当存在h={1,2,*.,p1}{一种主次关系,而不是- -个笼统的整体。链系统方法正是基链系统方法为受控对象建立- -种结构分散化模型,它既于这样的原则而被提出的,它是对复杂系统进行结构分散化含有整体系统的因果结构,又包含单元间的相互关联。此具的研究,即测量信息和结构信息均分散的控制思想,但又不有网状结构的模型,按照- -定意义下的主要因果关系,被抽同于- -般的分散控制，因为链系统方法充分考虑了各子系象出一种链状结构,我们称之为链系统。统之间以及子系统和整体之间的信息关联和传递。这种模型比一般多输人多输出系统含有更多的信息量,链系统是有一些多输人单输出子系统构成,它们按照链可以用来设计具有高可靠性和强鲁棒性要求的控制系统。结构串联成- - 条条的链,而子系统之间，链之间一般存在任链系统中的每个单元是- -种多输人单输出系统,通过关联与意的关联,子系统的模型-般是非线性的,并且考虑到实际其他相关单元相关联。通过自身动态变化和单元间相互影系统中对各变量的约束和存在各环节的任意互异的时滞,设响过成,共同描述对象的整体运 动特性。针对每个单元设计计工作都在子系统级进行。在-定条件下,子控制器不必掌单元预测系统和控制系统,它通过接受本单元相关信息和直握整个系统的全部模型和所测量信息,就能得到使整体系统接关联的单元的测量和预测信息,预测该单元的运动趋势，具有满意运动品质的控制效果。并分析判断,作出该单元的控制决策。各单元预测系统按照多输人多输出系统可用图1表示。研究对象的关联模式相互关联,并经由关联传递单元预测信息,共同完成对整体系统未来--定时间动态特性的预测,而各单元控制系统也经由关联传递控制信息,从而完成对整体系统的控制。单元预测系统的设计和计算是独立的和并行的,单元系统可以是不同性质和不同模式的,能够适用于大uq1--yYpl+p2型复杂系统地分析预测。圈1多翰入多输出系统3 合成甲醇的工艺流程简介生产装置中以煤为原料,用煤气联产甲醇技术。得到的中1h"x.是受控输出y. ,c..是中间测煤气经耐硫加压变換和低温甲醇洗净化后得到新鲜气。甲量输出,山,..*.是控制输人,pl ,p2和q1均为固定的有限醉合成系统中,新鲜气通常含有CO,CO2,H2,CH,OH,H2O,正整数。.N2,CH。等组分,其中CO,CO2为关键组分。甲醇合成塔内再把多输人多输出系统按照复杂系统的主要因果关系，的主要反应有以下三个06]:得到从控制输人经若干测量输出,最后达到受控输出的链状反应1 co + H2→CH,OH-Qt因果结构,如图2所示的一条链结构。反应2 CO2 + H2→CH,OH-Qz反应3 CO2 +H2→CO+H2-Q3其中Q3=Q-QzZi0En]z 1EzE。C*反应1,反应2两个平行反应为独立反应。甲醇合成简化流程图如图3所示,从净化工段来的脱硫后的甲醇合成气圈2链因果结构圈.经联合压缩机的合成气压缩短压缩后,与甲醇分离器来得循环气混合后,进人循环气压缩阶段,升压至合成反应压力,送其中,为控制输入;zg .(1-)为中间测量输出;za至人塔气预热器预热之反应温度后,有顶部进入甲醇合成为受控输出;0a ,,*,a为次要因素或链系统中的其它链塔。在甲醇合成塔列管中充填催化剂的作用下,部分co,中的因素对该链对应子系统得扰动。Ej=1,.,k称为因CO2和H转化为甲醇,含有未能转化的气体和粗甲醇的出口果链中的单元。对子系统模型具体化,则为此所研究的受控气被甲醇合成塔入口气逆流冷却到甲醇露点温度以下,依次系统的运动特性能用离散测量变量构成的动态方程描述,则经过脱盐水预热器、循环水冷却器后,在分离器中进行气液以g为输出的子系统E，的离散时间动态模型-般取形为分离液体进入闪蒸槽,经闪蒸出溶解在甲醇中的大部分气.87一体,然后送到甲醇精馏工段。β =860 21KJ/Kmol循环气Br =9. 147 x 10*KJ/Kmol弛放气4甲醇合成系统的因果分析及建模甲醇合成反应是强放热反应,必须用冷却介质带走热为了简化分析并尽可能的接近实际,在- -定进料新鲜气量,以确保触媒温度不致过高。根据化学反应原理，随着反流量和组成条件下,以产最和单位甲醇的能耗为控制目标进应温度的升高,反应速率会加快，但化学平衡常数会下降。.行分析。因此，在甲醇合成反应中存在最佳反应温度区[()。工厂实际也是随着反应塔床层敏点温度的升高甲醇的产量明显增加而到温度增加到一定程度甲醇的产量反而降低。反应塔→0r -@h床层敏点温度主要受沸腾水温度的影响，调节沸腾水压力改变沸腾水饱和温度来控制床层温度是最有效的措施91。甲醇合成反应的均相数学模型为:[6卤dyca。_ CoRPoAan=- D~[rco(1-2yco) -ronr x2yco]/(1 -2co中-2roq).(8)co2. - CopPoA[rp(1 -2ycon) -roo x2yco]/(1-2yo -2yco2)(9)1-新鲜气2-入塔气3-出塔气绝热段4-粗甲醇5-弛放气4-循环气图3甲醇合成的简化流程圈d=[(-，< n,石>|,k =2其中催化床中各组分摩尔分率分别为:假设弛放阀开度为∞,弛放气流量为zu ,循环气流量为ra,哨=(ym.un -2yoio -3rym.m) xB+2yco +3yor .(3)忽略弛放阀门动作的过渡过程压差对2的影响作为扰动yn =(ym,um +Yo.m +yYcon,u) xB-Yco -Ycor(4)vo ,把冷凝器温度.分离器液位、分离器压力等对知影响的Yyn=Ym.un xB(5)综合效应看作扰动01,且名=2,循环气流量链(即气流量Ymo= (ympo.m +rco.a) xB-yon，(6)链)2为YaH4 =YcH4,in xB(7)[2 ={<物,勾>, <么n >},如=2式中甲醇合成系统链系统模型框图如图4。B=(1 -2yco -2xcn)/(1 -2yco.n -2cor.n)假设甲醇合成系统各子系统E，的动态模型[1-2)取形为根据实际生产情况和有关研究结果[6] ,我们取能耗的经zg(1+1) = Ft(Xg())g_(t-&) +ug济指标为:其中Xg是和输出有关的变量串集合,它有两部分组成:-部一88一，中Pi ,Pr为设计参数。有(8),(9)再结合(5),(6) 可得到温度链如F控制1算法阳"(2) =[(1 -Pp)zi(t+Dn) +(P2 -b)动(a-D1中+-11 1)]/br(21)qi'(t+D) =[(1-p,)(t+D2) +(P: -a)i(tz2nz22+Dp-111) -azx(1+D1-啜-1) -n。]/ar (22)其中a ,2,4 ,b ,br为辨识参数,p1 ,Pr为设计参数,,”口砧分别为础,而的期望值,动,2分别为m,剐的预估值。|'21气流量链的控制方法也可以通过上面的方法得到。圈4甲醇合成系统的链系统横型框圈6系统仿真及结果分是对z。有直接作用的控制输人,另-部分是对E有关联在研究和试验过程中作了如下一些约束另外制定了试作用的其他单元的测量输出;Zy,Zg-1 eZ,zg_1是对单元z输验目标。出zq有直接影响作用的输人;d_是7q_1相对于zy的滞后步约束条件;新鲜气流量和组成-定数。F;是待辨识的参数集合,0是扰动。因此可以得出各单控制目标:系统热点温度253 +4C ,循环气流量为(30土元模型:2) x 10* Nm'/h。n([+1) =ayn() +am(r-出) +az(o-监) +D1o0仿真方法:我们跟据工厂实际状况,每隔6分钟采集一(12)次系统数据共采集60组数据,根据现场采集数据采用最小n(+1) =bqn(1) +b2zo(t-d4)(13)二乘法对系统模型进行参数辨识,然后经过预估突出控制方法并用推出的控制方法进行控制。(下转第130页)a(1+1) =cqzn(1) +e2zn(t-指) +ejn(t-招) +y21(14)(1+1) =du() +dqx(1-&) +物(15)Es其中a;,a ,a,b ,b2,C ,cz,c3,d ,山由最小二乘法辨识得到。50605模型预估和控制日20ctutututnn甲醇合成系统存在大滞后性,而克服时滞,提高控制品质的有效方法是预估。在单采样周期链系统中,因变量qu_122↓1080相对于果变量zq的滯后步数为dy-1 +1,而zo相对于zq的滞器260后为D= 2<2 +1),则温度链预估模型为:和(:+D111) =b初(t+Dn-11) +b:2no(1)(16)和(1+D211) =ain(s+D2-111) +ain(t+D,o&51) +aza(+Da -崆-1) +2(x.-X)2(17)20类似可写出气流量链预估模型。做如下假设Piz(I+D211) = Hzi(t+ D2),其中P=1-pz",H=1-p)(18)砧(1)是z2(1)的期望值。2(1+Dp21t) =pia(1+D2-11)+(1-p)石(|+ D2)(19)用同样方法也可以得到°%初(&+D.11) =pr2u(t+Dm-1lt) +(1.-pz)qi(i+D) .(20)圈5- 89一况,从以上的分析可以看出,该系统可以较大的增加输出信[4] 冯媛,谢显中,杨柳,罗新波. MIMO的联合发送技术在TD -噪比,即增加了系统容量,最终改善系统误码率性能。仿真SCDMA中的研究[ M].微计算机信息2211-3) .表明,该系统切实可行,而且该系统能够明显改善现有TD -[5] JF Frigon, A M Elawil, E Grayver, A Tarighat, H Zou. DeaignSCDMA系统的性能。然而我们也必须注意到,在Alamoutiand Implementation of a Baseband WCDMA Dual - Antenna Mo-bile Terminal[J]. IEEE Transactions on Circuits and Sytems -解码前的信道重建是以能够铰为准确的估计出系统信道特-I: Fundamental Thory and Applications( Accepted for fure征为前提的,因此是否可以准确的估计出信道特征是制约该publication) ,2006.系统性能的关键之- ,再者,由于双天线使用了不同的扩频[6] 谢显中,等基于TDD的第四代移动通信技术[M],北京:电码,使得与原系统相比较,该系统使用的扩频码数目将是原子工业出版社,006.来的两倍,如果扩频码的数目可不予考虑,那么使用该系统[7]黄华生,蒋泽. 联合检测技术在第三代移动通信中的应用[I].就是一种不错的选择。无线通俏技术,2002, 1:13 -20. .参考文献:[作者简介][1] Mohinder Jankinaman. Space - time codes and MIMO sytems章坚武(1961.7 -),男(汉族).浙江杭州人,博[M]. Boston London: Atech House ,Ine.2004.士,教授,主要从事通信领域特别是移动通信与个[2] Ruly Lai -U Choi, etc. On Stratege of Multiuser MIMO Transmit人通信领域的教学和研究工作,具有较强的科研工Signal Prcesing[J]. IEEE Trans. on Wireless Communiear-作能力和创新能力。tions, 2004, 3(6) :1936 - 1941.孙雯(1982.10-),女(汉族) ,浙江余孀人，硕[3] Robent W Heath Jr, Arogyaswami Paulraj. Chancterization of MI-士生,主要从事智能天线.MIMO算怯研究。MO Channels for Spatial Muliplexing Systems[C]. Proe. IEEEIntemational Conference ICC,2001 ,591 - 595.(上接第89页)[2]陈铁军, 邱祖廉.链控制器及其应用[J].自动化学报, 194. .在试验过程中在20-22时刻对沸腾水压力阀开度,和弛放(3):379 -382.气阀开度加- -扰动。下面是运用采集到的数据matlab下温[3] 潘再生,铴颍.基于专家经验的甲醇合成塔控制[J].化工自度链和气流量链得到仿真的结果。动化及仪表,1995,(4):11 -15.假定沸腾水压力阀开度调整范围在0 ~ 10,弛方阀开度[4] 程忠,诸爱土RBF LVLS方法用于甲醇合成反应器的软测量建模[J].浙江科技学院学报,2006,(2):94 -98.调整范围在0 ~ 10,中间叮以连续变化。仿真结果显示采用链系统控制方法可以把反应塔热点.[5]陈霁威， 乐慧丰.基于神经网络和遗传算法的在线优化软件设计与实现[J].华东理工大学学报,2002,(4) :419 -422.温度和循环气流量控制在要求的范围内,并且系统在有干扰[6] 赵蔡斌，刘金辉.铜基催化剂上甲醇合成反应机理的研究进的情况下能够在一-定程度上抑制f扰并很快恢复稳定,系统展[J].煤化工,2005 ,(3):39 -41.反应迅速。在达到的控制条件下,甲醇合成产量能达到2V[7]孟庆军. 甲酶合成过程的建模、分析与优化条件选择[J].天h,甲醇单耗为2.6 x 10^KJ/Kmol。然气化工,004,(5);:32 -39.并且如果系统局部出现故障,由于系统是分别独立设计8] 张春芳.影响甲醇合成产率的因素分析研究[].重庆职业技的,还容易对故障处理,保证总体性能。术学院学报,006,(2):127-128.[9] 石玉千,等.大型甲醇合成反应器工况的敷值分析[J].高校7结论化学工程学报, 2006 ,(3) :489 -493.针对我国甲醇生产能力不足，单位甲醇能耗高的现状，尝试对甲醇合成系统采用链系统方法建立的链系统模型,是沈艳河(1981-).男(汉族) ,河南周口人,硕士研对甲醇合成控制方法研究的一种新的探索。因为链系统方究生,研究领城为复杂检测技术。法是一种本质上结构分散化的方法,使建立的甲醇合成系统陈铁军(1954- ),男(汉族) ,河南南阳人,博士,郑的模型系统更加具有适应性和稳定可靠性,使其有很好的应州大学电气工程学院院长,教授,博导,研究领域为用前景。以经济效益和社会效益综合考虑的控制目标也是复杂工业过程控制技术及控制系统。很有意义的。李新瑞( 1982 -),女(汉族) ,河南新乡人,硕上研究生,研究方向为复杂控制系统。1]陈铁军. 链系统方法及其运用[M].郑州:河南科学技术出版姜海波(1981 -),男(权族) ,河南三门峡人,硬士生,研究方向为复杂检测技术。社:,993.一130一