背景技术
模型预测控制系统已知为“MPC”，它用于控制多种工业过程。一般地讲，模型预测控制器基于独立变量和非独立变量运行。独立变量是可以通过操作者或控制器改变或移动的操纵变量，例如阀位置的设定或用于(流动、温度、压力等)的设定点，且对待控制的过程或系统具有显著影响的前馈或扰动变量尚不能直接操纵。非独立变量是具有可根据特定的独立变量改变完全地描述或预测的值的被控变量。
模型预测控制器以阶跃响应模型编程，该阶跃响应模型示出每个被控变量如何响应给定的独立变量的改变。这些模型用于基于被控变量、操纵变量和前馈变量的过去历史来预测被控变量的将来行为。预测用于计算用于操纵变量的合适的控制动作。以从过程中测量到的信息将模型预测不断更新，以提供用于模型预测控制器的反馈机制。
操作模型预测控制器的模型包括收集阶跃响应模型，其基于操纵变量或前馈变量的单位移动和在这样的移动后使被控变量到达稳态所需的时间将被控变量与操纵变量和前馈变量相关联。在控制器运行期间，数据被维持，这记录了操纵变量的先前值、被控变量的预测值和被控变量的实际值。在控制器的每次执行时，将数据更新，且数据用于确定预测误差，该预测误差可以作为到控制器的反馈应用于模型预测。
利用操纵变量的当前值确定了开环响应，该响应是如果不输入进一步控制输入时在预测水平上获得的响应。随后，预测了一组操纵变量的优化移动，以获得闭环响应，闭环响应将导致被控变量到在实践中设定在范围内的目标值。然后将包含在移动计划中的控制器移动的第一个传递到局部控制器，局部控制器起作用以控制系统内的装备，例如流动控制器。这样的局部控制器可以是比例积分微分控制器，它例如用于控制阀促动器。前述过程在控制器的每次执行期间重复。
模型预测控制系统已用于控制具有蒸馏塔的空气分离设备。在蒸馏塔中，将待分离或分馏的多成分进料在这样的条件下引入到蒸馏塔内，在该条件中，待分离的混合物的上升的蒸汽相与其下降的相接触，接触的方式使得蒸汽相当上升时变得更富集混合物中的轻的或更挥发的成分，且液体向在下降时变得更富集混合物中的更重的或不易挥发的成分。此接触由可以是结构化的或随机的填料或筛盘的质量传递元件提供。
某些类型的蒸馏塔设计为产生高纯度和超高纯度的产品，即产品具有大于大致99.99％体积百分比的纯度。这样的塔对于液体/蒸汽比特别地敏感且可能具有多个稳态温度曲线，这些稳态温度曲线将基于在塔内上升的蒸汽量和引入到塔的热量而从一个曲线迅速地改变到另一个曲线。作为结果，在由进料组成改变导致的扰动情况期间，可能难于控制塔内的液体与蒸汽比且因此难于控制产品纯度。
控制的另一个更一般性问题是，模型预测控制器当与某些类型的系统联合使用时可能非常难于调整，这些系统可能包括蒸馏塔。难度因多变量系统产生，在该多变量系统中，两个或更多操纵变量的每个的移动影响了两个或更多共同被控变量的值。例如，在蒸馏塔情况中，回流流动控制阀位置可以在模型预测控制系统中表现为将影响塔的顶部部分以及塔的底部部分内的温度的一个操纵变量。一般地讲，添加回流趋向于对整个塔冷却。可以通过控制到塔的进料内的蒸汽量的阀来控制蒸馏塔内的蒸汽流量。相同的阀可以称为控制热添加，因为在这样的系统中的蒸汽馏分可以通过控制蒸发的液体量来控制。这样的阀的位置可以在模型预测控制器中通过另一个操纵变量表示，该操纵变量也对蒸馏塔的顶部部分和底部部分内的温度具有影响。在这样的情况下，控制器的调整变成费时的且困难的问题。
如将讨论，本发明在一个方面中涉及通过模型预测控制来控制蒸馏塔的方法，其中控制器能在一定温度水平下更积极地起反应，以防止产品从要求的产品纯度偏离。在另一个方面中，阶跃响应模型更有效地用于允许更容易地调整控制器。
发明内容
本发明提供了控制蒸馏塔的方法，蒸馏塔具有控制阀，控制阀包括回流流动控制阀以操纵到塔的顶部部分的回流流量，还具有至少一个用于待分离的进料的入口，该入口位于用于回流流动的回流入口下方。进料具有变化的温度，当进料温度增加时，这可以潜在地影响在蒸馏塔的顶部部分内感测到的第一温度，进料还具有变化的组成，当进料内更不易挥发的成分增加时，这也可以潜在地影响第一温度。
根据此方法，模型预测控制器以控制器频率重复地执行。模型预测控制器具有数据集，数据集包括在等于预测水平的先前时间期间内的记录，包括作为操纵变量的控制阀的阀位置，控制阀包括回流流动控制阀。数据集也包含作为被控变量的感测温度的相应的实际值，包括第一温度，和通过模型预测控制器预测的用于被控变量的预测值。模型预测控制器也编程有将操纵变量与被控变量相关联的阶跃响应模型。
在模型预测控制器的每次执行期间，数据集以操纵变量的实际当前值更新，且数据集与阶跃响应模型一起用于计算预测误差(或偏差)。预测误差作为偏差应用于预测，且在预测水平内计算开环预测和闭环预测。因此获得了一组移动计划以用于操纵变量的移动，以最小化被控变量和相关目标值之间的差异。生成与包含在移动计划组内的初始移动有关的信号。将信号传递到使用在控制阀设定中的控制器，因此实施了控制阀的初始移动。
被控变量的第一个与第一温度有关。当第一温度的值低于阈值温度时，控制器使用第一温度的值运行。当第一温度高于阈值温度时，控制器利用变换的温度。变换值从阈值温度、第一调整因数和温度改变除以第二调整因数的加和而计算出，第二调整因数用于放大温度改变的影响。温度改变通过从当前的第一温度中减去在模型预测控制程序的先前执行期间感测的第一温度而计算出。以此方式，当温度升高到阈值温度以上时，控制器对更高的温度而非对实际温度起反应，且提供更积极的控制移动来维持产品纯度。
在特定的情况中，被控变量的第二个具有在塔的底部部分处感测到的第二温度。进料是液体且部分地蒸发以形成包括蒸汽馏分和液体馏分的两相进料。由液体塔底形成的蒸发的塔底流与在引入进料到蒸馏塔内前进料的至少蒸发的馏分组合，且用于进料的至少一个入口在位于蒸馏塔的顶部部分和底部部分之间的塔高度处。
控制阀也包括作为第二操纵变量的进料流动控制阀，以同时控制蒸汽和液体馏分的流量，使得蒸汽馏分的流量增加导致液体馏分的流量的相应的降低和第一温度和第二温度的增加，且反之亦然。液体馏分的流量的任何增加降低了第一上面温度和第二温度，且反之亦然。阶跃响应模型包括将操纵变量的第一个与被控变量的第一个和第二个相关联的第一和第二阶跃响应模型。第三和第四阶跃响应模型分别将第二操纵变量与第一和第二被控变量相关联。
如上所述，这是其中两个操纵变量影响两个共同的被控变量从而导致模型预测控制器的调整困难的情况。
至少一个入口可以是两个分开的入口。进料的蒸汽馏分和液体馏分可以分开地通过两个分开的输入入口引入到蒸馏塔内。进料可以分为第一次级流和第二次级流。次级流中的第一个蒸发以与蒸发的液体塔底流组合以形成蒸汽馏分流。蒸汽馏分流引入到两个入口的一个以将蒸汽馏分引入到蒸馏塔内。第二次级流引入到两个分开的入口的另一个内以将液体馏分引入到蒸馏塔流内。
根据本发明的进一步的方面，在其中存在至少两个影响了两个或更多的共同的被控变量的操纵变量的情况中，根据本发明可以通过将第一阶跃响应模型与第三阶跃响应模型叠加且使得第二操纵变量与第三阶跃响应模型相关地用作第一前馈变量而为第一被控变量和操纵变量的第一个计算开环预测和闭环预测。通过将第四阶跃响应模型与第二阶跃响应模型叠加且使得第一操纵变量与第二阶跃响应模型相关地用作第二前馈变量而为第二被控变量计算开环和闭环预测。在此情况中，在任何计算期间，只要涉及到控制器，例如回流流动控制阀的位置仅取决于该阀的移动。控制了接纳到塔内的蒸汽馏分的程度的另外的进料流动控制阀的温度影响在开环和闭环计算中被考虑为前馈变量。因此，控制器调整变得比其中在单一的阀的操纵中必须考虑两个操纵变量和两个被控变量的现有技术的调整情况更容易。
本发明的此后一种方面可应用于具有操纵变量以响应于过程参数和与之相关的目标值的偏差来控制系统的过程参数的任何系统。本发明的此特征可应用于蒸馏塔且不使用以上所述的温度变换技术。
具体实施方式
参考图1，图1图示了蒸馏塔系统1，蒸馏塔系统1包括蒸馏塔2、阀控制器3a和3b和模型预测控制器4。
蒸馏塔2设计为接收液体进料10，以通过蒸馏来分离成分，以产生纯化后的产品12作为塔顶馏出物。蒸馏塔2包括质量传递元件，它在图示中是筛盘。然而，本发明可以应用于任何类型的塔，包括具有随机或结构化填料的塔。以已知的方式，待分离的混合物的上升的蒸汽相在塔2内上升，且变得更富集了本领域中称为较轻成分的更具有挥发性的成分。当液体相在塔2内下降时，下降的液体相接触通过质量传递元件的上升的蒸汽相，且变得更富集了已知为较重的成分的更不易挥发的成分。
液体进料10分为第一次级流14和第二次级流16。第一次级流14在蒸发器内或其他的换热设备18内蒸发且与蒸发的液体塔底流20组合，且引入到蒸馏塔入口22内。液体塔底流24在换热器26内蒸发以产生蒸发的液体塔底流20。第二次级流16作为液体引入到蒸馏塔2的液体入口28内。
因此，在蒸馏塔2内，待分离流的液体和蒸汽馏分分开地引入。然而，应理解的是，前述的蒸汽馏分流和液体馏分流可以在进入蒸馏塔2内之前组合成两相流。提供了进料流动控制阀30以同时调节待引入到塔2内的液体馏分和蒸汽馏分的量。例如，当进料流动控制阀30移动到关闭位置时，第二次级流16的流动增加以增加引入到塔2内的液体馏分的量。同时，蒸汽馏分的量降低。当进料流动控制阀30打开时发生了反向的运行。进料流动控制阀30由阀促动器32控制，阀促动器32链接到已知的阀控制器3a，例如比例积分微分控制器，使得进料流动控制阀32可以远程地被激活。
在塔2内通过将回流35引入到蒸馏塔2的顶部部分而初始化下降的液体相。回流35具有与产品流12相同的组成，或可以具有甚至更高的纯度，且因此可以通过在回流凝结器(未示出)内凝结已进一步纯化或未进一步纯化的产品流12而产生。回流35的流量由回流流动控制阀36控制，回流流动控制阀36具有链接到阀控制器3b的阀促动器37，阀控制器3b可以与阀控制器3a的类型相同。
分别发送到控制器3a和3b的实际控制信号输入38和39由通过模型预测控制器4发送的信号产生，该模型预测控制器4可以是从Aspen Technology Inc.，Ten Canal Park，Cambridge，MA 02141-2201获得的DMCplusTM控制器。控制信号输入38和39激活控制器3a和3b，以基于在塔的顶部部分内由温度传感器40感测到的第一温度T1和在塔2的底部部分内由温度传感器42感测到的第二温度T2设定进料流动控制阀30和回流流动控制阀36的位置。温度传感器40和42是已熟知的设备且可以是热电耦。应注意的是，术语“第一”和“第二”简单地用于便于通过区分实际感测到的温度而理解本发明。此外，如将讨论，也应理解的是，可感测另外的温度作为到模型预测控制器4的输入。
如本领域一般技术人员将认识到，当回流35的流动量增加时，第一温度T1将降低且第二温度T2也将降低。当第二次级流16的流量增加时，第二温度T2将降低。当此温度降低时，蒸汽将凝结且第一温度T1也将降低。由于同样的原因，当第一次级流14的流量增加时，蒸汽馏分的量且因此引入到塔2内的热将增加，第一温度T1也将增加，且更多的液体塔底也将蒸发以增加第二温度T2。
因此，显见的是，进料流动控制阀30的操纵不仅影响了蒸馏塔2的顶部部分内的温度，而且影响了蒸馏塔2的底部部分内的温度。这也适用于回流流动控制阀36的操纵。
当例如蒸馏塔2的塔具有非线性温度特征和多稳态温度曲线时，可能发生复杂的控制问题，该非线性温度特征和多稳态温度曲线受到通过操纵进料流动控制阀30而引入到蒸馏塔2内的蒸汽的量和热的极大影响。例如，参考图2，为蒸馏塔2图形的描绘了非线性温度分布和多稳态温度曲线。如图中可见，温度曲线取决于蒸汽馏分的百分比的小的改变。蒸汽馏分通过由第一次级流14和蒸发的液体塔底流20形成的组合流而引入到蒸馏塔2内。如从图2中明显的，进料蒸汽馏分的小改变导致蒸馏塔2的温度曲线的显著移动。
为保证高的产品回收，蒸馏塔2应被控制为使得第二温度T2足够高以向上驱动产品或进料的更轻的成分。然而，取决于进料蒸汽馏分，塔的底部部分内，这样的第二温度可以从-252°F至-286°F(-157.8°至-176.7°)改变，即在分离级1至15内。这样的温度改变可能由于进料中蒸汽馏分的仅大约2.86％的改变而产生。对比f1和f8。然而，在蒸馏塔2的顶部部分内感测第一温度T1时，塔的中心部分和底部部分内的温度可能增加到更重的成分已蒸发且到产品内的程度，从而导致了纯度扰动情况，其中产品纯度下降到纯度规格以下。作为结果，通过模型预测控制器4的仅根据由温度传感器40感测到的第一温度T1对回流流动控制阀36的操纵将对于防止产品流12偏离规格是低效的。特别是对于高纯度蒸馏塔更是如此。
如在以上所指示，模型预测控制器4发送电信号控制信号38和39到阀控制器3a和3b，以操纵进料流动控制阀30和回流流动控制阀36。模型预测控制器4包含了模型预测控制程序，该程序随着时间期间过去或控制器频率连续地执行。此控制器频率可以小到一分钟。
附加地参考图3，图3图示了模型预测控制程序中发生的事件的图形表示。在此图形表示中，标识为“程序执行”的垂直实线是在程序执行时的纵坐标，它指示了被控制的温度，例如T1。标识为“k+1”、“k+2”等的水平横坐标表示了等于控制器频率的时间增量。在实线下方是指示了控制器移动或阀的百分比打开(“ΔU”)的虚线。
模型预测控制程序维持了在程序的执行“程序执行”时不断地更新的数据集。数据集包含了在等于预测水平48“将来”的先前时间期间46“过去”内的记录。数据集记录了例如进料流动控制阀30和回流流动控制阀36在先前程序执行时或在“k-1”时等处的阀位置49。对应于进料流动控制阀30和回流流动控制阀36的位置的每个位置，也记录了用于第一温度T1的预测温度50和相应的实际温度52。对于进料流动控制阀30和回流流动控制阀36存储了用于T2的预测温度和实际温度的类似的集合。将预测温度50和实际温度52之间的差异加和，以产生预测误差，预测误差将在下文中论述。
参考图4，提供了阶跃响应模型56和58，它们将回流流动控制阀36的阀位置的第一操纵变量与形成了第一被控变量和第二被控变量的第一温度T1和第二温度T2相关联。阶跃响应模型56和58指示了当回流流动控制阀36打开大约1％时，第一温度T1和第二温度T2分别下降0.2039°F和1.5°F(-17.6645℃和-16.94℃)，以在大约4小时的预测水平后达到稳态。可以标定任何温度与阀位置之间的预测。类似地，作为第二操纵变量的进料流动控制阀30的位置也相对于阶跃响应模型60和62考虑。进料流动控制阀30的百分比打开增加1％分别使第一温度T1和第二温度T2在四个小时的预测水平增加0.6250°F和5.5°F(-17.43℃和-14.72℃)。如上所述由数据集确定的预测误差施加到两个模型，以在每次执行期间作为反馈控制修改模型。
再次返回到图3，在程序执行期间，感测实际第一温度T1且将计算开环预测64。开环预测64简单地是基于对阀位置无进一步的改变而计算的第一温度T1的被控变量的响应。程序然后计算用于回流流动控制阀36的操纵变量移动计划66和用于进料流动控制阀30的操纵变量移动计划68。这些移动计划包括用于回流流动控制阀36的移动的第一操纵变量的预测移动，和用于进料流动控制阀30的运动的第二操纵变量的预测移动。移动计划被优化，以产生闭环预测70，闭环预测70是指示了第一温度T1响应于移动计划的预测移动以允许该第一温度T1达到目标值的曲线，该目标值在实践中是在预测水平上的值的范围。虽然未图示，但同时的动作将是预测误差的计算，用于第二温度T2的第二被控变量的开环预测和闭环预测，它们对于移动计划66和68具有影响。
移动71和72的第一个通过模型预测控制器4传递到阀控制器3a和3b，阀控制器3a和3b发送控制信号76和78到阀促动器32和37，以适当地设定进料流动控制阀30和回流流动控制阀36的位置。
前述的对模型预测控制系统的运行的描述是常规运行的一个。然而，如在上文中提及，在蒸馏塔2内，由于其非线性，通过实际的第一温度T1简单地对回流流动控制阀36的位置控制将必然地不是控制蒸馏塔2的有效的方法。因此，根据本发明，在模型预测控制器4内编程了阈值温度，在该阈值温度下控制器必须更积极地动作。当第一温度T1处于或低于阈值温度时，模型预测控制器4简单地基于测量的实际温度进行开环和闭环预测计算，如在上文中所概述。然而，如果实际测量的第一温度T1高于阈值温度，则在模型预测控制器4内将使用变换温度，以在此情形中更积极地进行模型预测控制器4的运行。变换的温度通过将第一调整因数和除以第二调整因数的温度差添加到阈值温度而计算出。温度差通过从当前温度中减去在模型预测控制器的先前执行时间中记录的温度而获得。因此，第二调整因数放大了温度改变的影响。
假定温度增加，则温度增加将由前述的差异放大，使得在模型预测控制器4内实际使用的第一温度T1大于由温度传感器40实际感测到的温度。然而，因为当温度转为或开始下降时，将造成更多的液体塔底，以导致水平检测器44排除底部液体，这将导致潜在的有价值的产品的损失。因此，当温度下降时，变换温度的计算将造成比由温度传感器40实际感测到的温度更低的温度，以由模型预测控制器4利用。第一和第二调整因数经验地被确定，以给出对特定塔的适当的响应。例如，最初可以使用1.0的阈值，且然后适当地在线调整，以获得关于速度的希望的响应。第二调整因数可以认为是用于改变连续执行时间之间的温度斜率的“斜率改变夸大”参数。
虽然未图示，但在蒸馏塔2是高纯度塔的情况中，可进行进一步的测量以防止产品纯度规格的扰动。例如，可感测在T1和T2之间且更靠近进料入口22和28的中间温度且将其用于控制进料流动控制阀30。这样的温度的增加将被模型预测控制器4利用以关闭阀30，使得在蒸馏塔2内发生更少的蒸汽和更少的加热。以此方式的控制将防止一般地发生其中需要更积极的对回流流动控制阀的控制的情况。
蒸馏塔系统2的另外的问题涉及以上所概述的其中两个或更多操纵变量每个影响两个或更多共同的被控变量的情况下的模型预测控制装置4的调整。模型预测控制器4典型地将具有数个调整常数，例如用于操纵变量的移动抑制、稳态优化价值参数、对于稳态和动态情况的等涉及(equal concern)误差(或控制权重)。然而，因为每个操纵变量将影响两个被控变量，所以调整模型预测控制器4的过程变成困难和费时的过程。例如，在图5中图示的在调整以阶跃响应模型编程的模型预测控制器4中，使用如下的过程：
(1)对于回流流动控制阀36调整，仅选择控制T1要求的参数(注意，对T2的影响前馈到模型预测计算阶段)。
(2)类似地，对于进料流动控制阀30，仅选择仅控制T2温度要求的调整参数且将其对T1的影响前馈。
在两个情况中，运用“模型解耦”，使得调整实施为仿佛在处理多环系统而非多变量系统。
参考图5，已发现有利的是，将模型预测控制器4编程为使得在调整方面单一的被控变量涉及单一的操纵变量。因此，根据本发明的进一步方面，进料流动控制阀30的阀位置的第二操纵变量对第一温度T11的第一被控变量的影响被利用，使得该第二操纵变量变成在第一温度T1的第一被控变量的开环和闭环预测的计算中的第一前馈变量。这样，在第一温度T1的第一被控变量的开环和闭环预测的计算中，阶跃响应模型56被常规地使用，而将第二操纵变量与第一温度T1相关联的阶跃响应模型60被使用为使得进料流动控制阀30的位置的该第二操纵变量是这样的计算中的第一前馈变量。类似地，阶跃响应模型62被常规地利用且阶跃响应模型58被使用为使得回流流动控制阀36的位置被用作前馈变量。
一旦编程，如在上文中所阐述，则模型预测控制程序以这样的方式运行，其中一个阀的调节控制一个温度，而另一个阀的运动虽然对该温度有影响，但不基于其他温度预测同时移动。已发现，以此方式编程的控制器的调整比在图4中图示的常规情况简单得多。例如，在常规的情况中，在两个温度出离控制范围时，必须决定哪个温度被放弃，因为一个操纵变量仅能控制一个被控变量。如果模型形式通过引入如在上文中概述的前馈变量而解耦，则例如移动抑制和等涉及误差的调整参数更容易操纵。以此限定了前馈变量的此运行方法可以用于任何系统，其中两个操纵变量将影响两个共同的被控变量。如可认识到，这也将应用于具有更多的操纵变量和更多的被控变量的复杂系统。
参考图6，模型预测控制器4图示为利用图5的模型来执行。在程序的每次执行时，阶跃响应模型56以在80处确定的预测误差更新。同时，回流流动控制阀36的阀位置也已知，且基于进料流动控制阀30的位置用作输入的阶跃响应模型60在82处标识为“曲线未来轨迹预测”的方框内的开环和闭环预测的计算中用作前馈变量。计算的移动计划的第一移动然后作为电信号39传递到阀控制器3b，阀控制器3b又发送控制信号78到阀促动器37。
类似地参考进料流动控制阀30的位置，阶跃响应模型62在84处以预测误差更新。回流流动控制阀38的位置和阶跃响应模型58用作输入，使得回流流动控制阀38的位置是前馈变量，以产生用于在86处计算的第二温度T2的第二被控变量的开环和闭环预测。计算移动计划且移动作用中的第一个通过电信号38作为输入传递到控制器3a，以通过由控制信号76控制的阀促动器32的动作操纵进料流动控制阀30。
虽然本发明已参考优选实施例描述，如本领域一般技术人员所想到，可以进行多种变化、省略和添加而不偏离本发明的精神和范围。