博士论文——延尺焦化装置先进控制方法研究与应用.pdf

北京化工大学 博士学位论文 延尺焦化装置先进控制方法研究与应用 姓名：张伟勇 申请学位级别：博士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：潘立登;黄德先 20081015 摘要 延迟焦化装置先进控制方法研究与应用 摘要 延迟焦化是一种加工重油，特别是劣质减压渣油的炼油工艺。随 着原油资源的匮乏和原油品质的重质化、劣质化，延迟焦化在原油深 度j n - r - 中地位日益突出。延迟焦化是最难控制的炼油装置之一，其特 点是半连续操作、干扰多、温度高、易结焦。我国延迟焦化加工能力 居世界第二位，但自动控制水平却相对落后于其它炼油装置。本文针 对延迟焦化装置的关键设备一延迟焦化加热炉( 简称焦化炉) ，综合 应用化工原理、控制理论、人工智能和计算机技术等多学科的理论和 技术，从生产过程的内在机理出发，对焦化炉的先进控制、异常工况 的诊断与补偿和炉管结焦厚度的在线估计及相关内容进行了研究。主 要工作及研究结果如下： 1 针对焦化炉干扰多，具有时变和非线性特性，控制要求高等特 点，在建立焦化炉的机理动态模型基础上，对焦化炉出口温度控制提 出了一种自适应状态反馈预测控制方法。通过将炉膛温度和经温度压 力补偿后的燃料气流量作为状态变量，采用实测状态反馈，克服了常 规加热炉出口温度串级控制方法中不能同时克服进入流量副回路和炉 膛温度副回路的干扰的缺点。针对负荷经常变化和炉管结焦导致的非 线性和时变特性，提出了在线进行模型自适应的方法，增强了焦化炉 抗干扰和对各种工况的适应能力。h y s y s 仿真和某1 2 0 万吨年焦化炉 北京化工大学博j 学位论文 的应用结果表明，控制效果明显提高。 2 针对焦化炉炉管注汽量突增后引起炉出口温度大的反向响应并 大幅超温，进行了汽量突增诱发大幅超温过程的机理分析，提出了基 于专家规则和多传感器数据融合的方法，准确地判断出注汽量突增影 响，并提出了基于模型的热平衡补偿和专家智能相结合的异常工况专 家控制方法，可以在注汽量突增时及时给出合适的超前补偿。现场运 行表明，所提方法抑制了焦化炉出口温度的大幅超温，为焦化装置的 安全和长周期运行奠定了基础。 3 焦化炉炉管结焦是影响装置开工周期的主要原因之一，并导致 燃料和动力消耗增加，处理量下降。为了监视焦化炉运转特性，提出 了一种焦化炉辐射室内炉管结焦厚度的在线估计方法。根据炉管管壁 温度测点的分布，对炉管进行分段集结法建模。利用传热、反应等模 型和实测的过程变量，计算不同炉管段的总传热阻力和焦炭层传热阻 力，从而确定不同炉管段的结焦厚度。对历史工业数据的计算结果表 明，所提方法可有效的估计结焦变化的趋势。所提结焦计算方法可以 为现场生产操作提供指导，提高装置运行的安全性和经济性。 4 针对多支路通用管式加热炉出口温度不均衡，提出了基于稳态 能量平衡的支路平衡控制方法，并进行了稳定性分析。支路平衡控制 采用长控制周期的稳态控制和区域控制，以避免频繁调整引起系统内 各回路之间的动态耦合。对以燃料气为主要燃料的多种燃料混烧加热 炉，提出了一种燃料气理想阀位区间控制，以节省高价格的燃料油， 并保证燃料气有一定的调节能力。上述方法与出口温度自适应状态反 摘要 馈预测控制相结合，形成了加热炉出口温度的一种综合控制方法。在 某5 0 0 万吨年常压炉上的长期应用表明，所提方法控制效果良好。针 对三种燃料混烧的分子筛装置热油炉，改进了基于燃料流量热平衡的 出口温度控制方法并成功应用。 5 针对网络控制系统中网络数据传输普遍存在随机时延等问题，在 采用预测控制时，提出了对反馈通道和前向通道分别进行补偿的策略。 对反馈通道，通过对采样数据附加时间戳，选择和利用控制器当前时 刻所能得到的最新输出测量值，修改预测控制中的反馈修正算法，可 补偿测量数据的随机时延、数据丢失和数据时序错乱对控制性能的影 响。对前向通道网络时延，通过在执行器端加入接收缓冲区，将前向 通道的传输时延变为固定时延，并将此固定时延加入预测模型之中。 对补偿器结构的分析和仿真结果表明，所提出的策略可有效的补偿网 络传输时延等问题。 关键词：延迟焦化，加热炉，自适应控制，预测控制，结焦，支路平 衡，网络控制系统 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f a d v a n c e dc o n t r o l f o rd e l a y e dc o k i n g p r o c e s s a b s t r a c t d e l a v e dc o k i n g ( d c ) i saw i d e l yu s e dt h e r m a lp r o c e s sf o rb o t t o m o 士 t h eb a r r e lu p g r a d i n g a st h es u p p l yo fc r u d eo i lt e n d st ob ei n s u f f i c i e n ta n d t h eq u a l i t yo fw h i c ht e n d st ob eh e a v i e ra n dp o o r e r ，d cp l a y s am o r e i m p o r t a n tr o l ei nm o d e m r e f i n e r y d ci so n eo f t h em o s td if f i c u l tr e f i n e r y u n i t st oc o n c r o l ，w h i c hi s c h a r a c t e r i z e db yt h ed i s t u r b a n c e s c a u s e db y s e m i - c o n t i n u o u so p e r a t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r ea n d i n e v i t a b l ec o k i n g t h e p r o d u c t i v ec a p a c i t yo fd c i nc h i n ah o l d st h es e c o n dp o s i t i o ni nt h ew o r l d b u tt h ep r a c t i c eo fa d v a n c e dc o n t r o lf o rt h i sp r o c e s si s s t i l lb a c k w a r d i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，b yc o m p r e h e n s i v e l yu s i n gt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y o 士 p r o c e s s m o d e l i n g ，c o n t r o lt h e o r y a n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n db y e x p l o r i n gt h e i n h e r e n tm e c h a n i s mo fp r o c e s sa n do p e r a t i o ne x p e n e n c e ， r e s e a r c hi sc a m e do u to nt h ei s s u e sr e l a t e dt o t h ea d v a n c e dc o n t r o lf o r c o k i n g 如m a c e ，w h i c hi st h ek e ye q u i p m e n to ft h ed c p r o c e s s t h er e a l n w o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 a na d a p t i v es t a r ef e e d b a c kp r e d i c t i v ec o n t r o ls c h e m ei sp r e s e n t e d f o rt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo fd cf u r n a c e b yt a k i n gc h a m b e rt e m p e r a m r e a n dt e m p e r a t u r e p r e s s u r ec o m p e n s a t e df u e lg a sf l o w r a t ea s s t a t ev a n a b i e s a n du s i n gm e a s u r e dv a r i a b l e sf o rs t a t e sf e e d b a c k ，t h ed i s t u r b a n c e s t h a t e n t e r si n t of u e ll o o pa n dc h a m b e rt e m p e r a t u r el o o p c a nb es u p p r e s s e d s i m u l t a n e o u s l y ，w h i c hc a nn o tb ea c h i e v e db yc o n v e n t i o n a lp i dc a s c a d e c o n t r 0 1 as i m p i l i f t e dn o n l i n e a rm o d e l o nt h eb a s i so ff i r s tp r i n c i p l e so ft h e l v f u r n a c ei sd e v e l o p e dt oo b t a i nt h es t a t es p a c em o d e l t h eo n l i n em o d e l a d a p t i n gm e t h o di sp r o p o s e dt oa c c o m m o d a t et h e d y n a m i cc h a n g eo f p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sb e c a u s eo ft u b e c o k i n g a n dl o a d c h a n g e s s i m u l a t i o n sb a s e do nh y s y sa n di n d u s t r i a l i m p l e m e n t a t i o ns h o w st h e e f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y 2 al a r g ei n v e r s er e s p o n s ef o rt h eo u t l e tt e m p e r a t u r e c a nb ec a u s e db v as u d d e ni n c r e a s eo ft h ei n j e c t e ds t e a m o fap a r t i c u l a rv e l o c i t y ，a n du s u a u y f o l l o w i n g av i o l a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r el i m i t b ya n a l y z i n gt h e m e c h a n i s mo ft h i sa b n o r m a le v e n t ，ar u l e b a s e dm o n i t o r i n gm e t h o dt h a t u s e sd a t af r o mm u l t i p l es e n s o r sa n da n e x p e r tc o n t r o ls c h e m eb a s e do nh e a t b a l a n c ec a l c u l a t i o na r ep r o p o s e d t h er e s u l t so fs i t ei m p l e m e n t a t i o ns h o w t h a tt h em o n i t o r i n gm e t h o di se f f e c t i v ea n dt h ee x p e r tc o n t r o li sc a p a b l eo f g l v l n ga p p r o p r i a t ef e e d f o w a r dc o m p e n s a t i o n ，a n dt h u s ，p r e v e n t i n gt h e o u t l e tt e m p e r a t u r e sf r o mv i o l a t i n gt h e i rh i g hl i m i t s 3 t h ei n e v i t a b l ec o k ed e p o s i t i o no ni n s i d et u b e so f t h ed cf h m a c ei s o n eo ft h em a i nf a c t o r st h a tl i m i t st h er u nl e n g t ho ft h ed c p r o c e s s a n d 1 n c r e a s e st h ec o n s u m p t i o no ff u e la n dp o w e re n e r g y , l o w e r sp r o d u c t i v i t y a no n - l i n et u b ec o k i n gt h i c k n e s se s t i m a t i o nm e t h o dt h a t b a s e do nt h e c a l c u l a t i o no ft h e r m a lr e s i s t a n c e i s d e v e l o p e d t h et u b e sa r el u m p e d a c c o r d i n gt ot h ep l a c eo ff i r e s i d et u b ew a l lt h e r m a lc o u p l e s r e a lt i m e p l a n td a t aa n dh e a tt r a n s f e rm o d e la r eu s e dt od e t e r m i n et h eo v e r a l lt h e n n a l r e s i s t a n c ea n dc o k i n gt h i c k n e s si nd i f f e r e n t l u m pz o n e s a p p l y i n gt oa c o k i n gf u m a c eb yu s i n gh i s t o r i c a ld a t as h o w st h a tt h ec o k i n gt h i c l m e s sc a n b ee f f e c t i v e l yp r e d i c t e d t h ec o k i n gp r e d i c t i o nh e l p st oi m p r o v e o p e r a t i o n ， a n de n h a n c et h es a f e t yo ft h ef u m a c e 4 ap a s sb a l a n c ec o n t r o ls c h e m eb a s e do ns t e a d ys t a t ee n e r g y b a l a n c e t om a i n t a i nt h ep a s so u t l e tt e m p e r a t u r et ob es a m ef o r m u l t i p a s sf i r e d h e a t e ri sp r o p o s e da n dt h ec o n v e r g e n c eo ft h ec o n t r o ls c h e m e i sa n a l y z e d s t e a d ys t a t ec o n t r o l ，w h i c hi sr e a l i z e db yc h o o s i n gl o n gc o n t r o li n t e r v a l ，i s v ! ! 塞些三查兰堡主兰垡丝茎 、 u s e dt oa v o i dt h ed y n a m i cc o u p l i n go fd i f f e r e n tp a s ss t r e a m sc a u s e db y f r e q u e n t l ya d j u s t m e n to fp a s sf l o w r a t e f o rf u m a c e sf i r ef u e lg a sa n df u e l o i la n dt a k ef u e lg a sa st h em a i nf u e l ，a ni d e a lz o n ec o n t r o lf o rf u e lg a si s p r o p o s e dt os a v et h ee x p e n s i v ef u e lo i la n dl e a v eam a r g i nf o rf u e lg a st o d e a lw i t hd i s t u r b a n c e s s i m u l a t i o n sa n df i e l di m p l e m e n t a t i o nt oac r u d e f u m a c es h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e sa r ev e r ye f f e c t i v ea n de a s y t oi m p l e m e n t a ni m p r o v e dt h e r m a lb a l a n c ec o n t r o ls c h e m ei s 却p l i e dt oa f u m a c ei nam o l e c u l a rs i e v ed e w a x i n gu n i tw h i c hb u m st h r e ek i n d so ff u e l 5 t h ec h a l l e n g e so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) a r et h en e t w o r k i n d u c e dt i m ed e l a ya n dd a t ap a c k e td r o p o u t ac o m p e n s a t i o ns c h e m et h a t d e s i g n sc o m p e n s a t o r ss e p a r a t e l yf o r t h ef e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc h a n n d i nt h ef r a m e w o r ko fp r e d i c t i v ec o n t r o li s p r o p o s e dt o d e a lw i t ht h e s e p r o b l e m s f o rt h ef e e d b a c kc h a n n e l ，t i m e s t a m pi sm t a c h e dt ot h es a m p l e d d a t a t h e nt h ea v a i l a b l en e w e s to u t p u tm e a s u r e m e n ti si d e n t i f i e du s i n gt h e t i m e s t a m p t h ef e e d b a c kc o r r e c t i o nt e r mi np r e d i c t i v ec o n t r o li sm o d i f i e d f o rt h ef e e d f o r w a r dc h a n n e l ，ar e c e i v i n gb u f f e rl o c a t e db e f o r ea c t u a t o r n o d ei sa d d e dt ot r a n s f o r mt h er a n d o md e l a yt oac o n s t a n td e l a y ，w h i c hi s i n c o r p o r a t ei np r e d i c t i v em o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s s o ft h es c h e m e k e yw o r d s ：d e l a y e dc o k i n g ，f u m a c e ，a d a p t i v ec o n t r o l ，p r e d i c t i v e c o n t r o l ，c o k i n ge s t i m a t i o n ，p a s st e m p e r a t u r eb a l a n c e ，n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m 符号说明 彳 彳 彳c 召 c c l ，c 2 c p d d i d o e 厂( ) f g g h h k k 眨i ，k 0 2 m n y n d p p r 符号说明 英文字母符号 连续系统状态转移矩阵；动态矩阵 传热面积，m 2 炉管截面积，m 2 连续系统输入矩阵 输出矩阵 热容量 定压比热，k j k f f i k “ 1 距离，d 0 炉管内径，m 炉管外径，m 误差；汽化率 函数 流量，t - h 。1 或n m 3 h 。1 离散系统状态转移矩阵 质量流速，k g m - 2 s 1 对流传热系数，w m - 2 k - 1 离散系统输入矩阵； 燃料热值，k j k 9 1 或u n m “ 3焓，l ( j k g 。1 状态反馈阵 管壁与进料间综合传热系数，w m - l k 一；反应速率； 燃料传给进料的有效热值，u k g 1 或k j n m 一； 热容量校正系数 控制时域 代表过程平稳程度的变量个数 建模时域；历史数据长度 工作点 预测时域；压力，k p a 或m p a 普朗特准数 北京化工大学博士学位论文 热传递速率，k j h 1 炉管表面热强度，k j m - 2 h - 1 热量损失，k j - h 1 热阻，m 2 kw 。1 雷诺准数 阶跃响应系数 温度，k 或；时间常数 炉膛温度， 出口温度目标值，c 控制周期，s 或m i n 管壁温度， f 支路的调节量，t h 以 状态向量 转化率 系统输出 变量平均值 控制输入 流速，m s ；炉膛烟气与进料间的总传热系数，w m - 2 k 1 干扰输入 炉管容积，m 3 炉膛容积，m 3 希腊字母符号 控制衰减系数；校正系数 第i 段炉管温升占总温升的比例， 装置因数 被控变量误差加权 结焦厚度，m m 体积分率，；工作点间距离 热效率， 停留时问，s 操纵变量变化加权；导热系数，w m - 1 k q x v i q g吼r忍s丁乏瓦 兀蛾 x x y 罗甜u p h 圪 仅 啦p y毋 可口a 符号说明 d i n t ( ) 1 1 1 i ： a y 粘度，p a s 密度，k g m 3 时延，s 微分运算 取整 2 范数 偏微分运算 求和 数学符号 下标 空( 烟) 气 校正：对流 进料或结焦 燃料气 燃料油 变量下标；入口；第f 段；第i 支路 低限 高限 新的工作点或工况 出口 辐射室；反应 辐射 基准值 给定值 蒸汽 控制输入 干扰输入 管壁；水 口 c店户，砌 。r rs s 甜 y w 北京化t 人学博士学位论文 c 口 了c 木 a p c c v d m c d v i m c m p c m v n c s s f p c 控制器到执行器 传感器到控制器 理想值 上标 缩写 a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ，先进控制 c o n t r o l l e dv a r i a b l e ，被控变量 d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ，动态矩阵控制 d i s t u r b a n c ev a r i a b l e ，干扰变量 i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，内模控制 m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，模型预测控制 m a n i p u l a t e dv a r i a b l e ，操作变量 n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，网络控制系统 s t a t ef e e d b a c kp r e d i c t i v ec o n t r o l ，状态反馈预测控制 x v i i l 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：叠兰查塑 日期： 关于论文使用授权的说明 加吕、f2 。f 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：壬! 多! ! _ ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 先进控制( a p c ，a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 和优化是提高石油化工企业效 益和竞争能力的重要手段。近些年来，石油化工生产过程规模不断扩大，工艺过 程复杂性增加，产品质量要求提高，环境保护要求越来越严格；同时，原料和能 源紧缺，市场不断变化，迫切要求企业节能降耗，实现安全、稳定、长期、满负 荷和优化运行。这些对过程控制提出了新的挑战。随着生产过程建模技术的发展， 现代控制理论的日臻完善和智能控制等理论的发展，生产过程的先进控制和优化 策略有了长足的进步。目前，d c s 已经在石化企业内普及，但其控制算法主要 还是p i d 。在现有基础上，增加少部分投资，实现先进控制和优化控制，可以使 生产平稳，充分发挥装置能力，在保证产品质量的前提下提高目的产品收率，提 高经济效益，并大大降低操作人员的劳动强度。 世界原油的供应日趋紧张，原油品质的重质化和劣质化同趋严重，重油深度 加工技术是当今世界炼油工业发展的重点。延迟焦化可以加工残炭值和重金属含 量很高的劣质渣油，工艺技术成熟，投资和操作费用较低，是世界上主要的减压 渣油转化手段之一。我国是延迟焦化技术的应用大国，延迟焦化生产能力仅次于 美国，居世界第二位，且在近几年持续快速增长【l l 。2 0 0 3 年，中国石化延迟焦化 加工的渣油量已超过当年重油催化裂化掺渣量，成为中国石化第一位的重油深度 加工装置【2 1 。 延迟焦化装置加工的是劣质重质原料油，具有连续间歇、高温操作的特点， 装置相互关联严重。焦化炉的结焦是制约装置长周期平稳运行的主要因素之一， 而焦炭塔的切换会对装置产生周期性的影响。根据延迟焦化工艺特点，对延迟焦 化装置实施先进控制可以使焦化炉的操作平稳，延缓其结焦速度，延长开工周期； 消除焦炭塔切换对分馏塔操作的影响，实现产品质量的卡边控制。采用优化控制， 特别是实时优化，可以增大处理量或提高目的产品收率，降低低价值焦炭收率， 提高装置的经济效益。a s p e n t e c h 公司介绍在延迟焦化装置上实施基于通用预测 控制软件的先进控制可获得每桶0 1 5 一o 3 美元的效型3 1 。 因此，延迟焦化装置应在现有d c s 的基础上，应用推广a p c 技术，进一步 平稳操作，实现优化生产。目前，国内外针对延迟焦化装置特殊问题的先进控制 和优化研究工作相对其它炼油装置来说处于落后的状态。鉴于国内企业对延迟焦 化装置先进控制和优化的迫切需要，以及延迟焦化装置在我国石化企业中的重要 地位和可观数量，本文将针对延迟焦化装置的关键设备一焦化炉，研究其先进 北京化工人学博：e 学位论文 控制及相关内容，为实施整个装置的先进控制和闭环实时优化打下基础。 1 2 预测控制及自适应预测控制 1 2 1 预测控制的历史发展 工业过程控制中最常用的是p i d 控制，大约有8 0 - - - 9 0 的控制回路采用的 是p i d 控制器，主要原因是p i d 算法鲁棒性强，操作方便。但对某些动态特性 复杂的被控对象，如存在强耦合、大纯滞后和非线性，以及苛刻的约束条件等， 仅依靠p i d 控制不能满足要求，而它们往往是生产的关键部分，迫切需要更先进 的控制技术。 先进控制的特点是【4 1 ：适应生产过程特性的控制方案和方法，一般基于数学 模型；采用过程控制计算机，具有足够的计算能力；具有明显的经济效益。先进 控制技术的内容是开放性的。从控制方法上说，有预测控制( m p c ，m o d e l p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 、自适应控制、状态反馈控制、推断控制及软测量技术、鲁棒 控制、智能控制( 包括专家控制、模糊控制、神经网络控制) 、非线性控制和统 计过程控制等，这些方法在解决问题的过程中又相互融合。其中，预测控制是当 前工业过程先进控制应用最为广泛的控制方法。 预测控制于七十年代中期从工业界中最先发展起来，它是一类基于数学模型 的计算机优化控制算法。最初的算法包括法国的r i c h a l e t 等【5 】提出的模型预测启 发控制( m p h c ，m o d e lp r e d i c t i v eh e u r i s t i cc o n t r 0 1 ) 和美国的c u t l e r 等【6 j 提出的 动态矩阵控制( d m c ，d y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 ) 。这些算法和模型算法控制【7 1 都基于非参数模型。g a r c i a 和m o r a r i 将基于非参数模型的预测控制统一为内模 控制( i m c ，i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 ) 结构【引。 预测控制的主要思想是：在当前时刻，利用已知的历史输入输出信息，根据 动态模型预测过程未来某段时域的输出；根据当前测量值和预测值的偏差对预测 输出序列进行反馈修正；反馈修正后的预测值与参考轨迹做比较，对特定目标函 数进行优化，获得当前时刻和未来控制时域内的输入，并将当前时刻控制输入作 用于实际系统，到下一时刻，重复上述过程，实现滚动优化。 预测控制的基本特征是预测模型、滚动优化和反馈修正i 。这三个基本特 征，是控制论中模型、控制、反馈概念的具体体现。它继承了最优的思想，提高 了鲁棒性，可处理多种目标及约束。自提出以来，在应用的推动下，为了保证可 行性、稳定性、鲁棒性，预测控制算法有了很多的改进。关于预测控制的理论发 展和工业应用不同时期有多篇论文进行了综述【1 2 1 5 】。 2 第一章绪论 q d m c 算法【l6 】把约束条件组成的不等式集引入控制器，作为滚动优化的组成 部分加以考虑，采用二次规划算法求解，可以得到满足约束条件的优化解。1 范数和无穷范数性能指标也被采用【9 , 1 7 】。如同p i d 参数采用i a e 、i s e 性能指标 整定类似，不同的性能指标将导致系统不同的“最优”响应。由于实际的控制系 统不可能在各种条件下运行于约束范围之内，优化问题存在可行性，问题在于当 出现不可行解时，应如何释放约束? 常用的方法是将过程的约束分为“硬约束” 和“软约束”【l 引。 预测函数控制( p f c ，p r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r 0 1 ) 1 9 , 2 0 1 将控制输入结构化， 将每一时刻的控制输入看作事先选定的若干个基函数的线性组合。对线性系统， 系统输出是上述基函数作用于对象的响应的加权组合。在获得输出预报值基础上 用优化算法求出各个基函数的线性加权系数，进而算出未来的控制输入。p f c 最 初应用于快速系统随动控制，如机器人、火炮跟踪控制，现已逐步扩展到慢变系 统。 基于状态空间模型的预测控制( s f p c ) 2 1 , 2 2 l 具有预测控制和状态反馈控制的 优点，具有跟踪和抑制噪声能力强的优点，能方便地应用于多变量过程。在状态 可测时，该算法适合于开环不稳定的被控过程。在应用时要解决两个问题：状态 空间模型的获得和状态是否可测。 以上为采用线性模型典型的预测控制算法。不同学者从预测控制的三个基本 特征出发，从不同方面进行了改进，形成了很多新的算法。 1 2 2 预测控制的工业应用现状 工业过程控制的要求是【4 2 0 】： 过程变量不超限 _ 被控变量存在两种控制要求：给定点控制和区域控制 _ 被控变量( c v ) 维数和操作变量( m v ) 维数不同，可能存在多个调节 自由度或调节自由度不足，并随操作条件的变化或干扰的影响而相互转化。控制 系统应能适应这种转化，协调m v 和c v ，使过程变量不超限，平稳而又迅速的 达到新的优化操作状态 - m v 存在理想工作区域或理想静态值 这是一个多变量约束协调的控制问题。预测控制在工业上获得成功应用，就 在于其适应了过程的实际需要，控制性能高，可系统、方便的进行多变量控制和 约束处理，实现多目标控制。 在m v 有多余自由度时，可以进行一定的经济目标优化。文献 2 3 1 中利用过 北京化丁人学博j j 学位论文 程模型的稳态信息，在c v 和m v 约束条件下，采用线性规划( l p ，l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 得到满足一定经济目标的稳态解，然后通过d m c 动态优化来实 施，形成了l p d m c 的结构，上述过程在每一个控制周期内进行。文献 2 4 1 分析 了l p m p c 和o p m p c 这种串级结构的性能和稳定性。 模块多变量控制( m m c ，m o d u l a rm u l t i v a r i a b l ec o n t r 0 1 ) b 难6 j 的基本思想是 使用字典顺序目标规划来求解多目标优化问题。将多变量控制系统的目标和约束 按优先级排序，依次分配到不同的模块中，每个模块只处理一个优化目标或者约 束，使用控制量逐个满足高优先级模块的目标。m m c 的优点是可以显式地处理 各种控制目标和约束，操作目标的确定较为容易，而不必依靠设定权重。 国外从七十年代末就开始商品化软件开发与应用。目前，国外比较流行的先 进控制软件及其公司如表1 1 所示，其技术上的特点可参考文献 1 4 1 。上个世纪 九十年代中期以来，国外公司加快了行业整合，如1 9 9 5 年末h o n e y w e l l 公司收 购了p r o f i m a t i c s 公司，1 9 9 6 年a s p e n t e c h 公司收购了美国s e t p o i n t 公司和d y n a m i c m a t r i xc o n t r o l 公司，1 9 9 8 年又收购了加拿大t r e i b e rc o n t r o l s 公司，成为力量最 强大的先进控制供应商。这种趋势形成了技术上的垄断。 表1 - 1 流行的线性m p c 先进控制软件及公司【1 4 】 t a b l e1 - 1s o m eo ft h ec o m p a n i e sa n dp r o d u c t so fl i n e a rm p ct e c h n o l o g y 1 4 】 国内各院校和科研院所适应企业需求，在先进控制技术的工程化方面进行了 大量工作，并在一些关键复杂装置取得了成功应用。中国石油大学袁璞教授在 1 9 8 8 年将基于状态空间模型的预测控制应用于催化裂化反再系统反应深度控制 【27 1 。经过近二十年的开发和应用，形成了一套完整的技术，并开发出先进控制软 件p a c r o s ( p r o c e s sa d v a n c e dc o n t r o la n dr e a l - t i m eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o n ) ，在 催化裂化、连续重整等一批装置上成功应用【2 即9 1 。清华大学自动化系过程控制研 究所开发了先进控制软件s m a r t ( s c a l a b l em u l t i v a r i a b l ea d v a n c e dr o b u s t t e c h n o l o g y ) ，并在常减压等装置上成功应用【3 0 】。浙大中控与法国a d e r s a 合作， 利用h i e c o n 和p f c 技术迸一步开发了a p c h i e c o n 和预测函数控制软件包 a p c p f c ，并在多套装置成功应用【1 1 1 。上海交通大学开发了多变量约束控制器 4 第一章绪论 m c c ( m u l t i v a r i a b l ec o n s t r a i n e dc o n t r o l l e r ) ，并在催化裂化装置上应用【3 l 】。北京 化工大学潘立登教授将系统辨识与内模控制相结合，开发出i m c p i d 鲁棒控制 算法【3 2 ，并形成软件包，在常减压等装置成功应用，其优点是易于与d c s 连接， 实施方便。中国科技大学对m m c 进行了研究并取得了一定的成梨“ 】。 目前绝大多数的先进控制技术与软件普遍采用“通用”的技术路线，试图用 一套先进控制软件对各种生产装置进行建模、控制器仿真组态、在线控制和管理， 这样只能解决各种生产装置的共性问题。针对某一类生产装置开发先进控制软件 将具有更强的针对性和灵活性。 1 2 3 自适应预测控制 “自适应”的含义是以变应变，即主动改变自己的行为以适应新的环境。自 适应控制主要用来应对过程动态的改变或环境的扰动。自适应控制系统主要有变 增益自适应控制、模型参考自适应控制、自校正控制及p i d 控制器参数的自动整 定等【ii m j 。自适应控制系统应包含以下基本功能： 一辨识被控对象的结构和参数或性能指标的变化 一具有可调的控制器 将自适应控制与m p c 相结合，形成自适应m p c ，将提高m p c 对于过程与 环境变化的适应能力。目前，自适应m p c 的研究大多集中在如何更新控制器的 模型。 1 9 8 7 年，c l a r k e 等人【3 5 】提出了广义预测控制( g p c ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 ) ，将自校正控制与预测控制结合起来，通过在线递推辨识更新控制模型。 由于在线辨识需要满足过程可辨识的条件，即对系统有充分的激励，这在 闭环控制而不施加人为激励的情况下不是一个容易满足的条件，对辨识的结果应 有约束。另外，在过程控制中一个很大的干扰是负荷干扰，并存在不可测干扰， 辨识算法应充分考虑到这些情况。h f i g g l u n d 和a s t r 6 m 提出在工业环境下应加入 监控功能以使自适应控制系统正确工作p q 。q i n 等人2 0 0 3 年的论文【1 4 1 在展望工 业m p c 的未来时谈到了自适应m p c ，认为尽管市场上对自校正m p c 有强烈的 需求，但在现实世界中实现自适应控制非常困难，除非有理论上的突破，近期内 不会有大的进展。 文献 3 7 提出的自适应m p c 控制器由m p c 控制模块、在线辨识模块、性 能监控模块3 个模块组成。通过控制器性能监视发现模型不满足控制要求精度 时，触发一次多变量模型测试与辨识过程，替换原有模型进行控制，以保证控制 器性能，控制器在p t a 装置上应用。 5 北京化t 大学博：l j 学位论文 多模型自适应控制发展迅速【3 引。多模型预测控制是一种处理非线性系统较 常用的方法【3 9 。4