基于预测控制的全流程节能降耗优化控制方法

目前，带稳态优化的多变量预测榨制各方法被 越来越多地应用在生产过程先进控制中，因为预测 控制器的动态控制用于克服扰动保证最佳工作点和 在最佳工作点变化后的恢复，＿口』实现跟踪控制和凋 节控制；而带稳态优化的多变量预测控制吖根据扰 动和工况变化来寻找最佳工作点，同时考虑了全局 范围内的经济性能指标，以保证系统更加高效平稳 地运行过程优化可以分为基于预测控制模型“岫 和基于非线性模型。¨…两种方法，其中基于预测控 制模型的过程优化相对基于非线性模型的过程优化 易于实现，其模型为由动态控制模型中提取的稳态 增益线性模型，经济目标可表示为线性或者二次型 性能指标，因而优化问题可通过求解…个线性规划 ＬＰ或二次规划ＱＰ实现，其求解速度较快，优化周期 可以与预测控制周期接近，加之控制模型是对非线 性过程在局部进行线性化得到的，可保证优化在控 制区域小范围内的精度，基奉满足了非线性程度较
Ｇ。（ｓ）——传函矩阵，ｃ。（ｓ）∈ｆｍ，Ｇ。（ｓ）Ｅ
ｃ，机“。
由此可提取到各过程单元的稳态增益模型：
Ａ）。＝Ｋ：△“．＋Ｋｏ。Ａｔ（ｉ＝１．２，…，ｎ）
（２）
式中：Ａｙ。∈彤，△Ⅱ，Ｅ Ｒ“；Ａｄ．∈Ｒｍ；Ｋ，
Ｋ。——Ｇ．（ｓ），Ｇ。（ｓ）的稳态增益，Ｋ。∈月…州Ｋ
Ｅ Ｒ ７。“。
各过程单元之间存在着关联．包括串联、并联、
ｕ．。妄Ｈ（ｆ）＋Ａｕ≤ｎ．。 △ｎ…≤Ａｕ《Ａｕ
｛８）
２．３优化控制问题求解和控制实施 山于扰动变量影响，预测控制不能满足变量的
上下限约束，因此上述线性规划问题不能保证存在 解。此时对过程就只能存在着将各被控变量调节进 入约束限的掩制作用，而暂时无法实现优化．．为提 高计算效率，要先判断能否进行优化”１。首先，所有 预测控制器的ＭＶ和ＣＶ当前都满足控制约束或进 人控制区域且稳定。这个条件可以放宽到用稳态预 测值代替当前值判断稳定。其次，稳定过程要有优 化的自由度。
关键词：垒流程优化；节能降耗；模型预测控制；气分装置；虚拟生产装置 中图分类号：７１＂１ｒ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－３９３２（２００７）０５４）０１４』）５
１引言 系统优化作为复杂系统目前的，个快速发展的
重要新领域，不仅受到理论界的重视，而且在工业 界、企业界得到了广泛的认同。实践证明系统优化 对提高牛产效率和经济效益起到了极为重要的作 用，许多实际化工生产过程的最优化成为企业界期 单早口实或的熏大目标之一，但是在大型的化工生 产中，由于整个生产过程存在着装置问的物流分配 和能量平衡等一系列的问题，这些优化目标间存在 着冲突，当某个设备达到最优工况时，对整个装置或 全厂来说却不一定是最优的，即局部最优不代表整 体最优。因此，必须要求在整个装置甚至整个企业 范周内实现过程优化，才能使企业总体经济效益达 到最优。
由动态模型提取的各个稳态增益模型为一个线 性模型，作为优化问题的等式约束。
Ａｃ一，＝∑ｄ”。Ｚａ，ｔＶ．。＋∑６ｖ，△Ｄ■。
（１０）
万方数据
第５期
Ｈ文祥等基于预测控制的全流程节能降耗优化控制方法
式中：ｎ——变量所在的预测控制器的序号；
ｒ——ＣＶ在第ｎ个预测控制器中的序号； ｒａ——ＭＶ在第ｎ个预测控制器中的序号；
ｍ。——ＤＶ在第ｎ个预测控制器中的序号；ａ…。，
ｂ¨。．——由相应预测控制器动态模型获得的ＣＶ相
对于ＭＶ和ＤＶ的稳态增益。
同时考虑上下游装置问的耦合，下游ＤＶ会受上
游ＣＶ或ＭＶ的影响，要增加装置耦合性约束条件。
Ａ△Ｄ％Ｄｎ．，一…００
ＳａＭＥ．
５ＡＣＶ．，
‘
（１１ｊ
ａＯＶ３．＝△ＤＫ，一０ Ｃ０２ａＭＶ，。
（６）
万方数据
在预测控制器设计中，对各个变量存在着卜下 限约束：
ｎ…≤“（‘）＋Ａ“≤“．一
Ａｕ～≤△Ⅱ≤Ａｕ。，
（７）
ｙ～≤ｖ（ｔ）＋△，≤ｙ。。
由此，可以得到多过祥单元的全流程优化控制 问题：
ｍｉｎ Ｊ＝《Ａｙ＋ｃ：Ａ“ （Ｉ＋ｈｓ“碌。ｊ）卦＝（Ｋ一蚝∥ｔｇ，。丑）血＋Ｋｔ，Ｓ“砩
Ｙ～≤Ｙ（ｔ）＋Ａ，≤Ｙ。，
对于Ｉｔ，个存在关联的过程单元，其各自的传递 函数模型为：
ｒ（ｓ）＝Ｇ。【ｓ）Ｕ（ｓ）＋Ｇ。（ｓ）口。（ｓ）（ｉ＝１，２，，ｎ） （１）
式中：一（ｓ）——被控变量ｔ ＣＶ），ｔ（ｓ）ｅ ｃ‘； ｕ。（ｓ）——操纵变量（ＭＶ），以（一） ∈ｃ“； Ｄ．（ｓ）——扰动变量（ＤＶ），Ｄ。（ｓ）∈Ｃ～；Ｇ：（ｓ），
收稿日期：２００７ＪＪ５－１９ 基金项目：国家“９７３”计珈项日子课题资助项目 （２００２ＣＢ３１２２０（１）
万方数据
第５期
Ｈ文洋等．基于预测控制的争流程节能降耗优化控制方法
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反馈等关系，其关联模型的稳态形式为：
ＡＡｙ＋ＢＡｕ＋Ｂ。“＝Ｃ
（３）
式中：△ｙ＝［Ａｙｉ．…，△ｙ：］；Ａｕ＝［△“ｉ，…，△Ｈ：ｊ；
脱乙烷塔（ｎ＝２） 塔底ｃ，含量 塔底温度
重沸器热水热值 塔顶压力
进料流量 进料温度
丙烯塔（ｎ＝３） 精丙烯塔塔顶阿烯中丙烯含量 粗丙烯塔塔底丙烷中阿烯含量 精丙烯塔塔顶温度 粗丙烯塔塔底温度 精丙烯塔冷问流流星 粗丙烯塔重沸器热水热值 精丙烯塔塔顶压力 粗丙烯塔进料流量 粗丙烯塔进料温度
各单塔的预测控制器采用某大学开发的 ＳＭＡＲＴ多变量预测控制软件”Ｊ，软件采用ＤＭＣ方 法。 ３．３全流程优化控制方案
我们对优化条件进行判断以后，选用了单纯形 法进行优化求解，ｉ面优化汁算程序则由ＩＬＯＧ公司 提供。
经优化汁算获得最优解后，斋要将操纵变量的 最优值向下传递进行实施。作为与预测控制器结合 的局部优化器，其实施是将最优值添加到预测控制 器的目标函数中，由控制计算进行实施…～作为全 流程优化器，则通过局部优化器间接进行实施：修改 相应局部优化器的线性优化和二次优化系数，去除 线性优化作用，将操纵变量的最优值作为二次优化 目标，通过局部优化器的优化作用使操纵变量向最 优值靠近。 ３实际应用分析 ３．１实际过程描述
过程控制
篆】！：：。篙：慧ｉ２００ｉ。７’。‰３４（砌５）：ｈ１４缸“１。８
基于预测控制的全流程节能降耗优化控制方法
吕文祥，黄德先，金以慧
清华大学自动化系过程控制工程研究Ｊｉｌ；＿，北京］ｏ００８４）
摘要：研究了基于预测控制模型的面向相互耦台的多个过程单元的以节能降耗为目的的奎流程优化控制 方法，并针对某炼油厂２ ｘ １０５ ｔ／ａ气分装置先进控制技政项目，在各个精馏塔实施了；变量模型预测控制的基础 上，提出了基于奎流程优化控制方法的产品质量和能耗的整体优化方案，并在虚拟生产蓑置上进行仿真验证．结 果表明该方法有娃可行。
Ａｄ＝Ｓ—Ｂｎｌｆ．一ＡＡｙ—ＢＡｕ）
（５）
由式（２）、（５）可得到全流程稳态模型：
ｆ“·
ｏ］
ｆ Ｋｍ
ｏ１
△Ｔ ２［。’ 疋１△ｕ＋｝。 。、ｊ△。
＝ｇＡｕ＋ＫＤｔｔｄ＝ＫＡｕ十Ｋ¨Ｓ １ＢＤ‘（。一Ａ对一ＢＡｕ） 即： （１＋Ｋ。Ｓ １ＢＤｌＡ）Ａｙ＝（Ｋ—Ｋ。Ｓ“自。‘自）Ａｕ＋Ｋ。Ｓ“Ｂ。１。
＋２（ＭＶ＋ＡＭＶ）：，＋４００（ＣＶ＋ＡＣＶ））－ ＋（ＭＶ＋ＡＭＶ），＋０ ５（ＭＦ＋ＡＭＶ）３ ２ ：Ｊ。，＋Ａ，
即：
ｍｉｎ ＡＪ＝一６００．ａＣＶｌｌ＋１ ５△ＭＨ】＋５０ＡＭＹ，２—２５０ＡＣＶ２ｌ
＋２Ａ∽。＋４００△ｃＨ。＋埘‰十０ ５ＡＭＫ。（９）
其中各个系数均由该产品或能耗当前的市场价 格换算得来，并可通过人机界面设定和调整。
冈１气体分馏装置简图
３．２各单塔预测控制方案 在建立全滤程优化控制方案前，确定各单塔独
立的预测控制器方案，根据对精馏塔的机理分析，选 取过程变量分别作为ＣＶ、ＭＶ和ＤＶ，如表ｌ所示。
ＣＰ。 ＣＶ。·
ｃＬ，
ｃｖ．。
村■． 村■２ Ⅳ■，
ＤＶ。ｌ
ＤＫ：
表１各精馏塔预测控制器变量选择方案
脱丙烷塔（ｎ＝１） 塔顶Ｃ．含幂 塔底ｃ。含量 塔顶温度 塔底温度 冷回流流量 重沸器蒸汽流量 塔顶压力 进料流量 进料温度
使用ＨＹＳＹＳ流程模拟软件可以实现化工过程 的稳态和动态仿真，利用我们开发的接口软件进行 外部程序与仿真过程的双向数据通讯，为先进控制 与优化的仿真提供了条件。，使用如图２所示的虚拟 生产装置结构，用ＨＹＳＹＳ建立了常减压装置模型并 加以常规控制，通过实时数据库的连接，使用多变量 预测控制器ＳＭＡＲＴ对虚拟常压装置部分实施动态 预测控制和稳态经济目标优化仿真。 ４．２全流程优化控制器的仿真研究
在此气分装置的优化方案中．优化的同时考虑 提高高价值产品产量和降低能耗。由于产品质量、 操作条件等均已由预测控制器进行限制，因此Ｈ需 进行线性优化，使变量向相应的约束限靠近。性能 指标具体为：
…ｉｎ』＝一６００（ＣＶ十ＡＣＶ）】】＋１ ５（ＭＹ＋ＡＭＶ）．－ ＋５０（ＭＶ十ＡＭＶ）．ｔ一２５０（ＣＶ＋△ｃｒ）：ｌ
｛（ＭＶｏ．）。≤（ＭＶ＋ＡＭＹ）…≤（Ｍｅ。）。
ｌ（ＡＭＫ。）ｂ≤（ＡＭＶ。）－Ｒａｔｉｏ·ｒｏ／ｔ≤（ＡＭＨ。）Ｈｌ
（１２）
式中：ｂ，Ｈｉ——该变量的下限和上限；Ｒａｔｉｏ—— 优化与控制的速度调节因子，是ＭＶ增量相同时所 需的优化运行时间与控制运行时闻之比；ｒ， 一——预测控制器与全流程优化器的运行周期。 ４全流程优化控制方案设计和仿真 ４．１ 基于预测控制模型的全流程优化控制器结构
Ａｃｌ＝［△《，·，Ａ《］．
２．２优化控制问题转化
对上述存在着严重耦合的多个过程单元进行全 流程优化控制是非常必要的。优化控制方案是将整
个Ｔ艺流程建立一个统一的数学模型，然后进行优 化汁算，关键足建立全流程的整体优化模型，国内外 的一些学者和工程研究人员在这方面也进行了相关
研究ｏ…１。本文在从各自的动态控制模型中提取出 稳态增ຫໍສະໝຸດ Baidu，得到各个单元稳态增益模型的基础上，按 关联模型进行联结，得到垒流程模型，最终对各过
Ａｔ）Ｖ，２＝ＡｃＫｉ 其中各个系数由装置的工艺原理获得，并适当
进行缩小，可通过人机界面设定和凋整。 在各预测控制器中，ＣＶ和ＭＶ受操作条件上下
限约束，且由于现场凋节器操作平稳的需要，操纵变 量增量也有上下限约束，同时考虑优化与控制的相 对速度因子，这些构成了优化问题的不等式约束：
ｒ（ＣＶ，，）ｋ≤（ＧＶ＋ＡＣＶ）”≤（ｃＫ，）。
弱的·类生产过程的优化问题．已经广泛应用ｆ工 业预测控制软件中”Ｊ。
本文探讨了使用预测控制模型对多个过程单元 进行全流程优化控制的方法，通过某炼油厂２×１０５ ｔ／ａ气分装置先进控制技改项目，在多个实施多变苗 预测控制的精馏塔上实施了全流程优化控制策略， 并进行了仿真研究。理论分析和仿真实验表明此方 法可以解决垒流程中多个相互耦合的过程单元独立 控制效果差的问题，实现对大型生产过程的整体控 制和优化。 ２基于预测控制模型的全流程优化控制方案 ２．１各过程单元控制问题描述
荣炼油厂２×１０５ ｔ／ａ气分装置的流程如图ｌ所 不。
此装置由５个精馏塔组成，分别为脱丙烷塔（Ｔ． １）、脱乙烷塔（Ｔ ２）、丙烯塔（粗丙烯塔Ｔ一３、精丙烯 塔Ｔ＿４双塔串联）和脱戊烷塔（Ｔ一５）。原料为脱硫的 催化干气、液化气，是Ｃ：～Ｃ。的烷烃、烯烃混合物。 经过精馏，最终产品包括了乙烷、丙烷、聚合级纯度
丙烯、轻Ｃ。和含有Ｃ。、Ｃ，成分的重Ｃ。。此装置的主
化工自动化及仪表
第３４卷
要经济目标屉为了获得更多的符合聚合级纯度要求 的丙烯（要求而烯的纯度≥９８ ５％）。并减少其余各 产品中丙烯含量；同时降低能耗，包括各塔重沸器蒸 气、热水用量和泵、冷凝器的用电量．在各单塔独立
进行优化时，会使各自达到相对最优，但总体的经济 目标特别是能耗往往不是最优的。因此这里提出将 所有单元联合进行全流程优化控制，以实现整个生 产过程的全局撮优。
由于△ｄ在模型中的不可预测性．在优化中设
定为Ａｄ＝０。
设：
出：『Ａｄ０１＿ＳＡｄ
式中：Ｓ——使Ａｄ元素重排的行变换阵。 因此，式（３）增广为：
【：】△，＋［：］△“＋［言：】Ａ。＝［；］
即：
Ａ，Ｘｙ＋Ｂ２ｔｕ＋口ＤＡａ＝。
（４）
式中：Ｌ自。０Ｊ＝Ｂ。Ｓ １。
由假设１可知曹。为非奇异矩阵，则Ｂ。亦为非 奇异矩阵，由式（４）解得：
程单元建立起独立的预测控制器进行优化控制实 施。
由实际生产实践可知，存在着与其它变量相关
联的扰动变量Ａｄ，和无关联的扰动变量Ａｄ。将关
联模型式（３）展开，则△ｄ因无关联即系数为零而消
失，只剩余存在关联的Ａｄ．。且从生产实践可眦得
到下述假设。 假设ｌ：由关联模型式（３）总可求得与其它变量
相关联的扰动变量Ａｄ，的唯一解，而与其它变量无 关联的扰动变量Ａｄ有无穷多解。