СПОСОБ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СМЕШЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G05D11/00 

Изобретение относится к нефтехимической, химической пищевой и другим отраслям промышленности, а именно к процессам смешения жидкостей.

Известен способ автоматического управления процессом смешения жидкостей, предусматривающий регулирование концентрации смеси путем изменения подачи одной из исходных жидкостей и стабилизацию уровня в смесителе, которую осуществляют путем изменения частоты синхронизации подаваемых в смеситель доз исходных жидкостей (СССР а.с. N 857943, кл. G 05 D 11/02 "Способ автоматического управления процессом смешения жидкостей").

Известен также способ управления процессом приготовления смеси заданного состава в поточных технологических линиях, включающий автоматическое дозирование исходных компонентов, измерение состава смеси, корректировку соотношения исходных компонентов в зависимости от величины отклонения состава смеси от заданного значения, измерение верхнего и нижнего уровней смеси во вспомогательной емкости, смешивание потоков смеси из вспомогательной и промежуточной емкостей, корректировку соотношения исходных компонентов в зависимости от нового заданного состава смеси (СССР а.с. N 1261701, кл. G 05 D 27/00, "Способ управления процессом приготовления смеси заданного состава в поточных технологических линиях и устройство для его осуществления).

Данный способ наиболее близок к заявляемому и поэтому взят за прототип.

Однако данный способ имеет низкую производительность и в нем наблюдается отклонение качества от заданного вследствие наличия промежуточной и вспомогательной емкостей и недостаточной точности получения заданного состава смеси.

В основу изобретения положена техническая задача создать способ адаптивного управления процессом смешения жидкостей, который позволил бы повысить производительность путем стабилизации качества товарного продукта.

На чертеже изображенa блок-схема установки для осуществления предлагаемого способа.

Установка содержит исполнительный механизм (ПИД - регулятор производительности каналов) 1, смеситель 2, анализатор качества (в данном случае анализатор октанового числа) 3, блок идентификации 4, блок оптимизации 5, блок вычисления излучающих добавок 6, сумматор 7.

На вход исполнительного механизма 1 поступают по каналам смешиваемые компоненты 1_K ... n_K, с выхода исполнительного механизма 1 компоненты в заданном соотношении U₁, U₂, ..., U_n поступают на вход смесителя 2, на выходе смесителя подключен анализатор качества 3, информационные линии со входа смесителя 2 подключены к первой группе входов блока идентификации 4, на второй вход которого подключен информационный выход анализатора качества 3, информационный выход блока идентификации 4 подключен к информационному входу блока оптимизации 5 и к информационному входу блока вычисления изучающих добавок 6, информационные выходы блоков 5 и 6 подключены на входы сумматора 7, выход которого подключен на вход исполнительного механизма 1.

Способ адаптивного управления процессом смешения жидкостей, рассматриваемый на примере смешения товарного бензина, осуществляется следующим образом.

Начальная рецептура товарного бензина, т.е. соотношение компонентов смеси, расчитывается по типовым октановым числам компонентов, отклонения которых регламентируются стандартами. Таким образом, октановые числа компонентов, поступающих на смешение, точно не известны, для них известны только интервалы их возможных значений, т.е. на практике октановые числа компонентов отличаются от значений, используемых при составлении рецептуры. Значения октановых чисел компонентов, поступающих с технологических установок на смешение, могут также изменяться во времени в зависимости от состояния работы установки.

Tаким образом, можно поддерживать точно заданное соотношение компонентов смеси согласно рецептуре, однако на выходе смесителя качество товарного продукта будет отличаться от заданного.

При отклонении октанового числа товарного бензина Q_K от заданного текущее значение качества продукта Q_K и измеренные значения расходов компонентов U₁, U₂ ... U_n поступают в блок идентификации 4, который, используя измеренные значения фактических расходов компонентов U₁, U₂ ... U_n, текущее значение качества продукта Q_K и математическую модель октанового числа товарного бензина (1) [3]

где Q_j ⁰, Q_r ⁰ - октановые числа чистых компонентов;
X_j, X_r - молярные доли соответствующих компонентов;
γ_jr - постоянная характеристика данного бинарного раствора,
вычисляет по алгоритму эллипсоидального оценивания идентифицированные октановые числа (оценки) смешиваемых компонентов и значения симметрической положительно определенной матрицы H_jK. Эти вычисленные оценки октановых чисел компонентов имеют вид многомерных эллипсоидов E_K (2):
таких, что

где K - дискретное время, при этом E_K - многомерный объем эллипсоида E [4] . B (2) - Q_K ∈ Rⁿ -центр эллипсоида, Rⁿ - евклидово вещественное пространство размерности n; H_K - положительно определенная (n x n) матрица.

Эти определяющие оценку E_K величины вычисляются рекурентно в соответствии с алгоритмом, определяемым соотношениями (3) м (4)

где Y_K - показания анализатора октанового числа товарного продукта

числовые параметры связанные с переменными Y_K, U_K, U_K-1, H_K-1, где начальные значения Q₀ и H₀ равны соответствующим параметрам априорного эллипсоида, в котором Q_o ∈ Rⁿ и матрица H₀ > 0 считаются известными. Для улучшения процесса идентификации определяется влияние каждого компонента на качество товарного продукта с помощью ограниченных по норме изучающих добавок в расходах компонентов [4].

Оценки октановых чисел компонентов, полученные в результате идентификации, поступают в блок оптимизации 5, в котором решается задача оптимального выбора расходов компонентов U_jK исходя из минимальной стоимости товарного бензина (5):
C^TU _→ min
где C = |C₁,...C_n| - вектор стоимости входящих в товарный бензин компонентов;
U = |U₁,...U_n| - вектор величин потоков смешиваемых компонентов.

Данная задача линейного программирования может быть решена обычным симплекс-методом или с использованием метода эллипсоидальных оценок.

Значения оптимального расхода компонентов U_jKопт поступают в сумматор 7, значения оптимального расхода компонентов суммируются с изучающими добавками ΔU_jK и вырабатываются управляющие воздействия для исполнительного механизма 1 по формуле (6).

U_jрасч = U_jKопт+ΔU_jK, (6)
где ΔU_jK - изучающие добавки, ограниченные по норме [4]

где d - заданное положительное число.

Изучающие добавки поступают на сумматор 7 из блока 6, где раcсчитываются по формуле (8):
(8)
где вектор S''_K-1 определяется с использованием полученных оценок и H_jK[4] , переданных в блок вычисления изучающих добавок 6 из блока идентификации 4.

Ограничения, наложенные на изучающие добавки не позволяют выйти технологическому процессу за допустимые технологические пределы и держат процесс таким образом, чтобы октановое число товарного бензина во время идентификации не выходило за пределы, ограниченные стандартами. При достижении сходимости алгоритма идентификации изучающие добавки равны нулю и система работает в оптимальном режиме при одновременной стабилизации заданного октанового числа товарного бензина на нижней допустимой стандартами границе, что обеспечивает минимизацию стоимости товарного продукта.

При следующем отклонении качества продукта от заданного процесс, описанный выше повторяется.

Предлагаемый способ адаптивного управления процессом смешения жидкостей полностью устраняет ошибки регулирования смешением, связанные с воздействием внешней среды, т. е. происходит адаптация системы управления к изменениям качества смешиваемых компонентов, дает возможность применения данного способа без использования накопительной емкости для товарного продукта и позволяет сразу работать на товарный продуктопровод.

Использование данного способа для смешения других продуктов предполагает использовать соответствующие математические модели технического процесса смешения и анализаторы качества продукта.

Предлагаемый способ повышает производительность установки, т.к. отсутствуют корректировки качества готового продукта, а также за счет поддержания качества товарного продукта на нижней допустимой стандартами границе качества, поскольку завышение, например качества товарного бензина, на 0,5 октановые единицы приводит к значительному перерасходу дорогостоящих высокооктановых компонентов.

Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР N 857943, G 05 D 11/02, 23.08.81.

2. Авторское свидетельство СССР N 1251701, G 05 D 27/00, 07.10.86.

3. Астапов В. Н., Бакан Г.М. и др. Математическое моделирование технологического процесса смешивания бензиновых фракций. Автоматика. - 1992, N 5, с.31 - 37.

4. Астапов В.Н., Бакан Г.М. и др. Оценивание с помощью эллипсоидов параметров линейной регрессии при линейных ограничениях на вектор входных переменных. Автоматика. - 1993, N 1, с.28 - 34.

Изобретение относится к нефтехимической промышленности, а именно к процессам смешения жидкостей. Техническим результатом является создание способа адаптивного управления процессом смешения жидкостей, который позволил повысить производительность путем стабилизации качества товарного продукта. Способ основан на определении новых оптимальных для данного момента времени соотношений смешиваемых компонентов и соответственно новых управляющих воздействий на расход в соответствии с измененными в дискретные моменты времени текущим значением качества товарного продукта и величинами фактических расходов компонентов. 1 ил.

Способ адаптивного управления процессом смешения жидкостей, включающий регулирование соотношения компонентов смеси для получения товарного продукта заданного качества путем поддержания соотношений компонентов смеси согласно заданной рецептуре, отличающийся тем, что измеряют на выходе смесителя в каждый дискретный момент времени текущее значение качества товарного продукта, а также величины фактических расходов компонентов, при отклонении значения качества от заданного осуществляют процесс идентификации, в течение которого формируют текущие значения качества смешиваемых компонентов путем вычисления их с использованием математической модели процесса смешения, измеренных величин расходов компонентов и текущего значения качества товарного продукта, а также вычисляемых в процессе идентификации ограниченных по норме изучающих добавок в расходах компонентов и суммируемых с величинами текущих управляющих воздействий на расходы компонентов, в результате чего определяют новые оптимальные для данного момента времени соотношения смешиваемых компонентов и соответственно новые управляющие воздействия на расходы.