1 前言
2万吨/年 聚甲醛是我公司从波兰ZAT公司引进的精细化工装置，产品价值高，使用霍尼韦尔公司的PKS(过程知识系统)系统控制。装置中精馏塔、蒸馏塔共计17个，由于精馏塔、蒸馏塔关联变量之间耦合严重，过程反应慢、动态响应时间长、滞后严重，使用常规PID控制效果一直不佳，不仅不能投自动，手动操作效果也不理想，成为该装置控制的难点，直接影响到了产品质量和蒸汽的消耗。PKS系统提供的Profit Loop控制器，使得这一难题有了解决的途径和可能。
2 精馏塔C462工艺
2.1 C462精馏塔的工艺流程
C462是浮阀塔精馏塔，用于系统中含有微量NaOH的三聚甲醛的精馏，将NaOH除去后，把三聚甲醛回收到系统中去。带控制点工艺流程图如图1所示，进料为变频调速控制流量，由泵P464、P471打入的含碱三聚;由再生碱液蒸发器间断蒸发后送到V466，通过FRC4641进行控制的汽体冷凝液。为防止糖类生成，向塔内加入脱盐水，通过FRC4645进行控制。
工艺上主要通过塔顶和塔底两个温度控制系统来控制产品质量。塔底通过蒸汽调节FIC4642、TIC4647，防止三聚超标。塔顶由回流控制FRC4643与TIC4644调节顶部三聚浓度，并使采出中不含有钠离子。
图1. C462工艺流程图
2.2 2-C462精馏塔控制的主要问题
2.2.1 变量之间耦合严重
C462塔顶产品质量采用直接物料平衡控制，第19块塔板的温度与回流量组成串级控制;C462塔底产品质量采用能量平衡控制，第7块塔板的温度与进入再沸器的蒸汽量组成串级控制。当顶层塔板温度升高时，塔顶回流量增加，同时也导致底层塔板温度下降，进入再沸器的蒸汽量增加，顶层塔板温度却继续升高。
图2. 控制系统框图
从图2所示的控制系统框图可知，有两个被控量和两个操作量，过程的动态特性传递函数为：
当回路1的控制器Gc1调节U1，使Y1回到设定值Ysp1，U1也通过传递函数Gp21波及Y2;由于Y2发生变化，回路2控制器Gc2调节U2，使Y2回到它的设定值Ysp2，而改变U2又会通过传递函数Gp12影响到Y1。
变量之间的这种强耦合使得两个控制回路不能同时在自动方式下控制，只能由操作人员手动操作，操作频繁且不易控，造成塔顶和塔底产品质量受到较大影响，蒸汽量消耗增加。
2.2.2 塔的干扰因素多
塔的主要扰动有：a、进料量的波动。三路进料，有两路是经齿轮泵打到塔的上部，由于物料特性及齿轮泵运行工况差，流量经常发生波动甚至断流; 另一路进料是间歇的，由操作人员视前段工序液位的高低手动进料，瞬间进料量的大小对精馏塔的稳定运行有极大的影响;b、再沸器加热蒸汽压力的波动;c、因环境变化而引起的回流温度波动;d、三路进料的组分波动无法预知。
3 精馏塔C462控制系统的改进
3.1 控制回路关联分析
如图2所示，塔底和塔顶温度控制是两个相互关联的回路，以第一回路为例，被控量Y1与操作量U1之间的传递函数与第二回路是开启还是闭合有很大的关系。假如第二个控制器Gc2处于手动模式，使控制器输出维持在正常值，即输出增量U2=0，则Y1与U1之间的传递函数：
图3. 模型预测方框图
基于对当前和未来的预测值，就可产生一个控制动作序列，以最优的方式趋向设定值，控制序列图如图4。
(Y2—U2的回路打开) (3.1)
如果两个回路都闭合，两个回路对Y1的作用叠加在一起：
(3.2)
若Ysp2=0，且处于自动模式，则根据方框图：
(3.3)
从第二个回路传给第一回路的信号是：
(3.4)
将式3.3和3.4代入式3.2，得到Y1与U1之间总的传递函数：
(3.5)(Y2与U2的回路闭合)
由此可知，Y1与U1之间的传递函数通过关联项与第二回路的调节器Gc2相关，涵盖了第二个回路对它的影响。
使用结果表明，常规PID控制算法在这种情况下，系统不稳定，控制器参数的整定也变得更为困难，无法满足强耦合、多干扰、大滞后对象的控制要求，而这正是Profit Loop的强项。
3.2 Profit Loop的控制原理 Profit Loop是完全集成进PKS系统的一种单输入/输出(SISO)、基于模型的控制和优化技术，来源于霍尼韦尔公司专利技术 Profit Suite control，其控制器用一个简单的过程模型来预测过去、现在和将来的过程变量的动作。
3.3 Profit Loop有效降低控制回路的关联
基于数学模型的单变量预测控制器Profit Loop将模型预测值引入控制回路，但数学模型不是单一变量的，引入控制的模型预测值包括了关联回路的影响，利用预测值的超前调节，能有效克服各种干扰，降低控制回路的关联，提高控制的品质。
为满足C462的控制目标，综合考虑，确定对塔顶温度回路TIC4644用Profit Loop控制器来取代，而塔底温度回路TIC4647、FRC4643和FRC4642依然用常规PID实现。
4 Profit Loop控制器的实施
4.1 通过实验数据，建立模型
PKS系统中，提供了模型生成工具，实现Profit Loop，生成的方式有：
PID转换方式
PID生成方式
回路信息方式
拉普拉斯输入方式
在线阶跃输入测试
图5. 输入脉冲
4.2 模型预测
为了进行预测，需要 将Profit Loop辨识得到的动态模型内置到控制器中，使控制器过去的输出OP值和将来预测的PV值联系起来，如图6所示，传递函数为：
其中G是对象的增益系数，T 是对象的滞后时间，n和d是模型系数，s 是拉普拉斯常数，单位是min-1。
图6. 预测PV轨迹
经过多次辨识，得到C462塔顶温度的动态模型为
。
4.3 模型偏差校正，增强控制系统的鲁棒性
系统建模是优化控制的难点，不论是多变量的大系统还是单回路的模型。不仅要使所建立的模型与实际相符，还要在满足模型精度的前提下，降低模型阶次。
