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甲醇合成過程控制的算法設計沈艷河,陳鐵軍,李新瑞,姜海波(鄭州大學電氣工程學院,河南鄭州40001)摘要:分析了甲醇合成機理,得出以煤氣聯(lián)產甲醇具有系統(tǒng)滯后大,動態(tài)特性復雜且存在大f擾的特點,為了增加甲醇產量和降低能耗,并提高系統(tǒng)的控制能力,增強系統(tǒng)的靈活性和可靠性。引人鏈系統(tǒng)控制方法,以甲醇合成回路經濟效益最大，單位甲醇能耗最低為控制目標,找到影響甲醇單耗和產量的主要因素,建立有產量和能耗兩條主要因果鏈組成的互相關聯(lián)的鏈系統(tǒng)模型。設計了甲醇合成過程的鏈預估算法和鏈控制系統(tǒng)。仿真顯示為甲醇合成系統(tǒng)建立的鏈系統(tǒng)模型穩(wěn)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潛力。關鍵詞:甲酶合成;鏈系統(tǒng);預估中團分類號:TP391文獻標識碼: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的合理應用。由于甲醇合成反應的大滯后系統(tǒng)動態(tài)特性復1引言雜,具有大千擾等問題，使得前述控制方法所建立的模型和甲醇合成過程的控制受到多方面的關注,出現(xiàn)多種控制控制方案在實際應用中仍未達到滿意效果。方案?；趯＜医涷灥募状己铣伤刂品桨?采用離散控制本文從產量和甲醇單耗兩方面綜合考慮,以經濟和社會系統(tǒng)中的PID控制模塊實現(xiàn)常規(guī)控制,采用專家經驗及相關綜合效益最高為控制目標。采用鏈系統(tǒng)控制方法,分析甲醉的算法實現(xiàn)先進的控制'),使得催化劑的使用壽命有所延合成機理,找出影響甲醇產量和能耗的主要因果關系鏈,建長,經濟效益有所提高?；诜蔷€性神經網絡的甲醇合成塔立一種鏈系統(tǒng)結構模型,該模型對大滯后的甲醇合成系統(tǒng)有控制方案,采用非線性神經網絡結構模型,并用數(shù)學方法直很強的穩(wěn)定性,抗干擾能力和容錯性。模型中甲醇合成系統(tǒng)接去求解,使得模型具有很強的表達能力又避免了冗長的訓是由互相關聯(lián)的兩條因果鏈組成,第- -條鏈是溫度鏈,第二練過程(4)?，F(xiàn)在已經有人設計并實現(xiàn)了基于遺傳算法和神條是氣流量鏈。對鏈系統(tǒng)結構建立動態(tài)數(shù)學模型,并經過預經網絡的在線優(yōu)化軟件包[5] ,但該軟件應用的成功與否仍然估和控制達到了提高產量降低單耗的目標。是依賴于建立的甲醇合成過程模型的正確建立和優(yōu)化算法2鏈系統(tǒng)方法概述基金項目:河南省杰出人才創(chuàng)新基金(521000100)實際系統(tǒng)的運動特性往往很復雜,一般都存在非線性，收稿日期:2007-06-25修回日期:007 -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--86一-好的控制效果,對象模型中應當考慮到這些特性。我們要設q(t+1) = F(X())5.(t-4)’(1)計的控制系統(tǒng)常常可能不僅僅是一個小面簡單的裝置,由于式中種種原因,希望整個系統(tǒng)的控制功能逐個地投人實際，也就娘為滯后步敷,與e z是說,控制系統(tǒng)能根據(jù)需要在線擴大，控制系統(tǒng)在運行過程變量串中出現(xiàn)故障,進行部分維修都在所難免,自然希望其余部分X(1) = {xm(t-4-L)1hme N|仍在正常運行。這些要求又使問題更加復雜化了。而人們下標集通過在復雜問題中區(qū)分主次關系,尋找出主要矛盾的分析方Ng= {hml0≤dL <∞;m=0,1,.k,法使問題的過程簡化。陳鐵軍認為，受控系統(tǒng)中也應當存在h={1,2,*.,p1}{一種主次關系,而不是- -個籠統(tǒng)的整體。鏈系統(tǒng)方法正是基鏈系統(tǒng)方法為受控對象建立- -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(tǒng)進行結構分散化含有整體系統(tǒng)的因果結構,又包含單元間的相互關聯(lián)。此具的研究,即測量信息和結構信息均分散的控制思想,但又不有網狀結構的模型,按照- -定意義下的主要因果關系,被抽同于- -般的分散控制，因為鏈系統(tǒng)方法充分考慮了各子系象出一種鏈狀結構,我們稱之為鏈系統(tǒng)。統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)和整體之間的信息關聯(lián)和傳遞。這種模型比一般多輸人多輸出系統(tǒng)含有更多的信息量,鏈系統(tǒng)是有一些多輸人單輸出子系統(tǒng)構成,它們按照鏈可以用來設計具有高可靠性和強魯棒性要求的控制系統(tǒng)。結構串聯(lián)成- - 條條的鏈,而子系統(tǒng)之間，鏈之間一般存在任鏈系統(tǒng)中的每個單元是- -種多輸人單輸出系統(tǒng),通過關聯(lián)與意的關聯(lián),子系統(tǒng)的模型-般是非線性的,并且考慮到實際其他相關單元相關聯(lián)。通過自身動態(tài)變化和單元間相互影系統(tǒng)中對各變量的約束和存在各環(huán)節(jié)的任意互異的時滯,設響過成,共同描述對象的整體運 動特性。針對每個單元設計計工作都在子系統(tǒng)級進行。在-定條件下,子控制器不必掌單元預測系統(tǒng)和控制系統(tǒng),它通過接受本單元相關信息和直握整個系統(tǒng)的全部模型和所測量信息,就能得到使整體系統(tǒng)接關聯(lián)的單元的測量和預測信息,預測該單元的運動趨勢，具有滿意運動品質的控制效果。并分析判斷,作出該單元的控制決策。各單元預測系統(tǒng)按照多輸人多輸出系統(tǒng)可用圖1表示。研究對象的關聯(lián)模式相互關聯(lián),并經由關聯(lián)傳遞單元預測信息,共同完成對整體系統(tǒng)未來--定時間動態(tài)特性的預測,而各單元控制系統(tǒng)也經由關聯(lián)傳遞控制信息,從而完成對整體系統(tǒng)的控制。單元預測系統(tǒng)的設計和計算是獨立的和并行的,單元系統(tǒng)可以是不同性質和不同模式的,能夠適用于大uq1--yYpl+p2型復雜系統(tǒng)地分析預測。圈1多翰入多輸出系統(tǒng)3 合成甲醇的工藝流程簡介生產裝置中以煤為原料,用煤氣聯(lián)產甲醇技術。得到的中1h"x.是受控輸出y. ,c..是中間測煤氣經耐硫加壓變換和低溫甲醇洗凈化后得到新鮮氣。甲量輸出,山,..*.是控制輸人,pl ,p2和q1均為固定的有限醉合成系統(tǒng)中,新鮮氣通常含有CO,CO2,H2,CH,OH,H2O,正整數(shù)。.N2,CH。等組分,其中CO,CO2為關鍵組分。甲醇合成塔內再把多輸人多輸出系統(tǒng)按照復雜系統(tǒng)的主要因果關系，的主要反應有以下三個06]:得到從控制輸人經若干測量輸出,最后達到受控輸出的鏈狀反應1 co + H2→CH,OH-Qt因果結構,如圖2所示的一條鏈結構。反應2 CO2 + H2→CH,OH-Qz反應3 CO2 +H2→CO+H2-Q3其中Q3=Q-QzZi0En]z 1EzE。C*反應1,反應2兩個平行反應為獨立反應。甲醇合成簡化流程圖如圖3所示,從凈化工段來的脫硫后的甲醇合成氣圈2鏈因果結構圈.經聯(lián)合壓縮機的合成氣壓縮短壓縮后,與甲醇分離器來得循環(huán)氣混合后,進人循環(huán)氣壓縮階段,升壓至合成反應壓力,送其中,為控制輸入;zg .(1-)為中間測量輸出;za至人塔氣預熱器預熱之反應溫度后,有頂部進入甲醇合成為受控輸出;0a ,,*,a為次要因素或鏈系統(tǒng)中的其它鏈塔。在甲醇合成塔列管中充填催化劑的作用下,部分co,中的因素對該鏈對應子系統(tǒng)得擾動。Ej=1,.,k稱為因CO2和H轉化為甲醇,含有未能轉化的氣體和粗甲醇的出口果鏈中的單元。對子系統(tǒng)模型具體化,則為此所研究的受控氣被甲醇合成塔入口氣逆流冷卻到甲醇露點溫度以下,依次系統(tǒng)的運動特性能用離散測量變量構成的動態(tài)方程描述,則經過脫鹽水預熱器、循環(huán)水冷卻器后,在分離器中進行氣液以g為輸出的子系統(tǒng)E，的離散時間動態(tài)模型-般取形為分離液體進入閃蒸槽,經閃蒸出溶解在甲醇中的大部分氣.87一體,然后送到甲醇精餾工段。β =860 21KJ/Kmol循環(huán)氣Br =9. 147 x 10*KJ/Kmol弛放氣4甲醇合成系統(tǒng)的因果分析及建模甲醇合成反應是強放熱反應,必須用冷卻介質帶走熱為了簡化分析并盡可能的接近實際,在- -定進料新鮮氣量,以確保觸媒溫度不致過高。根據(jù)化學反應原理，隨著反流量和組成條件下,以產最和單位甲醇的能耗為控制目標進應溫度的升高,反應速率會加快，但化學平衡常數(shù)會下降。.行分析。因此，在甲醇合成反應中存在最佳反應溫度區(qū)[()。工廠實際也是隨著反應塔床層敏點溫度的升高甲醇的產量明顯增加而到溫度增加到一定程度甲醇的產量反而降低。反應塔→0r -@h床層敏點溫度主要受沸騰水溫度的影響，調節(jié)沸騰水壓力改變沸騰水飽和溫度來控制床層溫度是最有效的措施91。甲醇合成反應的均相數(shù)學模型為:[6鹵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-新鮮氣2-入塔氣3-出塔氣絕熱段4-粗甲醇5-弛放氣4-循環(huán)氣圖3甲醇合成的簡化流程圈d=[(-，< n,石>|,k =2其中催化床中各組分摩爾分率分別為:假設弛放閥開度為∞,弛放氣流量為zu ,循環(huán)氣流量為ra,哨=(ym.un -2yoio -3rym.m) xB+2yco +3yor .(3)忽略弛放閥門動作的過渡過程壓差對2的影響作為擾動yn =(ym,um +Yo.m +yYcon,u) xB-Yco -Ycor(4)vo ,把冷凝器溫度.分離器液位、分離器壓力等對知影響的Yyn=Ym.un xB(5)綜合效應看作擾動01,且名=2,循環(huán)氣流量鏈(即氣流量Ymo= (ympo.m +rco.a) xB-yon，(6)鏈)2為YaH4 =YcH4,in xB(7)[2 ={<物,勾>, <么n >},如=2式中甲醇合成系統(tǒng)鏈系統(tǒng)模型框圖如圖4。B=(1 -2yco -2xcn)/(1 -2yco.n -2cor.n)假設甲醇合成系統(tǒng)各子系統(tǒng)E，的動態(tài)模型[1-2)取形為根據(jù)實際生產情況和有關研究結果[6] ,我們取能耗的經zg(1+1) = Ft(Xg())g_(t-&) +ug濟指標為:其中Xg是和輸出有關的變量串集合,它有兩部分組成:-部一88一，中Pi ,Pr為設計參數(shù)。有(8),(9)再結合(5),(6) 可得到溫度鏈如F控制1算法陽"(2) =[(1 -Pp)zi(t+Dn) +(P2 -b)動(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為辨識參數(shù),p1 ,Pr為設計參數(shù),,”口砧分別為礎,而的期望值,動,2分別為m,剮的預估值。|'21氣流量鏈的控制方法也可以通過上面的方法得到。圈4甲醇合成系統(tǒng)的鏈系統(tǒng)橫型框圈6系統(tǒng)仿真及結果分是對z。有直接作用的控制輸人,另-部分是對E有關聯(lián)在研究和試驗過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;Zy,Zg-1 eZ,zg_1是對單元z輸驗目標。出zq有直接影響作用的輸人;d_是7q_1相對于zy的滯后步約束條件;新鮮氣流量和組成-定數(shù)。F;是待辨識的參數(shù)集合,0是擾動。因此可以得出各單控制目標:系統(tǒng)熱點溫度253 +4C ,循環(huán)氣流量為(30土元模型:2) x 10* Nm'/h。n([+1) =ayn() +am(r-出) +az(o-監(jiān)) +D1o0仿真方法:我們跟據(jù)工廠實際狀況,每隔6分鐘采集一(12)次系統(tǒng)數(shù)據(jù)共采集60組數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)采用最小n(+1) =bqn(1) +b2zo(t-d4)(13)二乘法對系統(tǒng)模型進行參數(shù)辨識,然后經過預估突出控制方法并用推出的控制方法進行控制。(下轉第130頁)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 ,山由最小二乘法辨識得到。50605模型預估和控制日20ctutututnn甲醇合成系統(tǒng)存在大滯后性,而克服時滯,提高控制品質的有效方法是預估。在單采樣周期鏈系統(tǒng)中,因變量qu_122↓1080相對于果變量zq的滯后步數(shù)為dy-1 +1,而zo相對于zq的滯器260后為D= 2<2 +1),則溫度鏈預估模型為: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類似可寫出氣流量鏈預估模型。做如下假設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)用同樣方法也可以得到°%初(&+D.11) =pr2u(t+Dm-1lt) +(1.-pz)qi(i+D) .(20)圈5- 89一況,從以上的分析可以看出,該系統(tǒng)可以較大的增加輸出信[4] 馮媛,謝顯中,楊柳,羅新波. MIMO的聯(lián)合發(fā)送技術在TD -噪比,即增加了系統(tǒng)容量,最終改善系統(tǒng)誤碼率性能。仿真SCDMA中的研究[ M].微計算機信息2211-3) .表明,該系統(tǒng)切實可行,而且該系統(tǒng)能夠明顯改善現(xiàn)有TD -[5] JF Frigon, A M Elawil, E Grayver, A Tarighat, H Zou. DeaignSCDMA系統(tǒng)的性能。然而我們也必須注意到,在Alamoutiand Implementation of a Baseband WCDMA Dual - Antenna Mo-bile Terminal[J]. IEEE Transactions on Circuits and Sytems -解碼前的信道重建是以能夠鉸為準確的估計出系統(tǒng)信道特-I: Fundamental Thory and Applications( Accepted for fure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publication) ,2006.系統(tǒng)性能的關鍵之- ,再者,由于雙天線使用了不同的擴頻[6] 謝顯中,等基于TDD的第四代移動通信技術[M],北京:電碼,使得與原系統(tǒng)相比較,該系統(tǒng)使用的擴頻碼數(shù)目將是原子工業(yè)出版社,006.來的兩倍,如果擴頻碼的數(shù)目可不予考慮,那么使用該系統(tǒng)[7]黃華生,蔣澤. 聯(lián)合檢測技術在第三代移動通信中的應用[I].就是一種不錯的選擇。無線通俏技術,2002, 1:13 -20. .參考文獻:[作者簡介][1] Mohinder Jankinaman. Space - time codes and MIMO sytems章堅武(1961.7 -),男(漢族).浙江杭州人,博[M]. Boston London: Atech House ,Ine.2004.士,教授,主要從事通信領域特別是移動通信與個[2] Ruly Lai -U Choi, etc. On Stratege of Multiuser MIMO Transmit人通信領域的教學和研究工作,具有較強的科研工Signal Prcesing[J]. 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