（控制科学与工程专业论文）石化工业过程建模与优化若干问题研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 过程建模和过程优化是石油化工过程领域的两个重要而联系密切的研究课 题。随着世界经济的全球化发展趋势，石化工业需要采用高新技术以加快发展， 对生产过程提出越来越高的操作要求。现代石化工业综合自动化技术中先进控 制、软测量、过程优化、调度与管理等都是以模型为基础的，而过程优化技术是 现阶段和未来较长一段时期过程工业的发展重点。 论文以石化工业过程实际装置为背景，探讨了石化工业过程建模与优化中若 干典型的理论与工程实际问题及其解决策略。论文内容分为两部分，第一部分对 包括三个典型的工业过程，p t a 氧化反应器、渣油催化裂化反应系统和复合式 精馏塔进行分析、建模以及p t a 氧化过程的软测量3 - 程实施；第二部分分别提出 了基于进化算法解决工业过程中普遍存在的约束优化问题扣多目标优化问题的 过程优化算法一一基于不可行度选择遗传算法和基于邻域和存档操作遗传算法， 并利用该算法对工业p t a 氧化过程操作进行多目标优化研究。具体内容安排如 下： 1 建立了对p t a 氧化过程中产品粗t a 中主要中间产物4 - c b a 浓度的数学 模型。文章采用了加权移动平均法来处理变量之间的大时滞问题。通过偏最小二 乘法的隐变量投影方法和主元分析的h o t e l l i n gt 平方统计值对工业过程数据进 行分类。对过程模型设置了6 个装置因数修正实验室机理模型与工业实际过程的 偏差，并由几组典型工业数据样本利用改进的l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法回归得 到装置因数。工业现场数据仿真结果说明该模型能很好地预测4 - c b a 浓度。 2 建立了渣油催化裂化( r f c c ) 反应过程模型。通过将实际装置中发生裂 化反应的提升管和沉降段反应器分别考虑为理想的活塞流反应器和连续搅拌式 反应器，建立了简化的渣油催化裂化反应6 集总组分的串行和并行反应动力学网 络模型。工业现场数据验证说明该模型能很好地预测渣油催化裂化装置产率分 布，并适合于在线工业计算应用。 3 提出了复合精馏塔的建模与脱瓶颈研究课题。文章提出一个醋酸溶剂脱 水塔的脱瓶颈研究课题。利用稳态机理模型模拟实际操作过程，找出了限制提高 塔的操作负荷以提高操作分离效果的的瓶颈位置，进而提出和比较了在不增加额 外设备投资前提下解决这一瓶颈的两套方案。 4 介绍了工业p t a 氧化过程软测量3 - 程实施技术及应用效果。文章讨论了 工业p t a 氧化过程软测量软件开发与现场实施的重点和难点。软测量技术利用 基于氧化反应机理的过程模型，结合所提出的双重校正专利技术，开发了软测量 软件包，并在工业现场p t a 氧化过程在线计算上得到了成功的应用，为先进控 制的成功实施提供了有力保障。 5 提出了基于不可行度选择遗传算法求解工程中带约束的优化问题。首先 摘要 对种群中的个体定义了不可行度，并设计了退火不可行度选择操作。算法首先获 得一定比例的可行解，随后进行基于不可行度的遗传算法，使搜索逐渐收敛于可 行的全局最优解。仿真结果说明算法与以往的各类算法相比，在全局可行最优解 的搜索效率上有很好的优势。 6 提出了基于邻域和归档操作的遗传算法处理多个目标函数优化问题，并 进一步提出了基于不可行度选择的邻域和归档遗传算法，以求解带约束条件的多 目标优化问题。实例仿真结果说明两种算法在计算复杂度上和收敛性上都有明显 的优势。 7 提出了工业p t a 氧化过程中需要同时实现最大化装置产量或处理量和最 小化氧化产物( 粗t a ) 中的4 一羧基苯甲醛( 4 - c b a ) 浓度两个相互矛盾的目标函 数优化命题，并利用基于邻域和归档操作的遗传算法求解和分析了该多目标优化 问题。进而通过对实际工业过程操作的考察和分析，本文进一步提出了包括四级 操作序列的可扩展的p t a 氧化过程多目标优化问题，并进行了求解和比较，认 为可扩展的多目标优化研究更适合实际工业操作优化的实现。 最后，在总结了全文工作的基础上，对工业过程建模与过程优化理论研究与 工程应用的发展趋势提出了自己的观点，并给出了理论与应用的若干有待深入研 究的问题。 关键字： 石化工业，过程建模，过程优化，机理模型，软测量，p t a 氧化过程，渣油催 化裂化，精馏塔，遗传算法，约束优化，多目标优化 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s sm o d e l i n ga n dp r o c e s so p t i m i z a t i o na r et w oi m p o r t a n ta n dh i 【g ha s s o c i a t e d i s s u e si np e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do fg l o b a l i z a t i o no fw o r l d e c o n o my ，t h ep r e s s u r et oa p p l yt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e si si n c r e a s i n g p r o c e s sm o d e li s t h eb a s i so fi n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e si nm o d e mp e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e st h a t c o n t a i na d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ，s o f t s e n s o gp r o c e s so p t i m i z a t i o n ，p r o c e s ss c h e d u l i n g a n dm a n a g e m e n t f u r t h e r m o r e , p r o c e s so p t i m i z a t i o ni sa n dw i l lb eak e yt e c h n o l o g yi n p r o c e s si n d u s t r i e sn o wa n di nt h en e a rf u t u r e t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ep r a c t i c a lt y p i c a lp l a n t si np e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e sa st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d i tf o c u s e so ns e v e r a lt y p i c a lt h e o r ya n de n g i n e e r i n gi s s u e si n p e t r o c h e m i c a lp r o c e s sm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n t h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t o t w o p a r t s t i l ef i r s tp a r tc o m p r i s e si n d u s t r i a lp t a o x i d a t i o np r o c e s sm o d e l i n g , r e s i d u a l f l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n gp r o c e s sm o d e l i n g , c o m p l e xd i s t i l l a t i o nm o d e l i n ga n da n a l y s i s ，t h e a p p l i c a t i o no fp t ao x i d a t i o np r o c e s ss o f t s e n s o rt e c h n o l o g y i nt h es e c o n do n e , t h e i n f e a s i b i l i t yd e g r e eb a s e dg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d t oh a n d l ec o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o np r o b l e mi ne n g i n e e r i n gc a s e sa n dt h en e i g h b o r h o o da n da r c h i v eb a s e d g e n e t i ca l g o r i t h i na n di t sv a r i a n ta r ep r o p o s e dt ot r e a tt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m w i t ht h a t , t h ep t ao x i d a t i o np r o c e s si sr e g a r d e da sab e n c t n a r kf o rt h e a p p l i c a t i o no ft h ep r o p o s e dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m t h ed e t a i l e d c o n t e n ti sa r r a n g e da sf o l l o w s 1 am a t h e m a t i cm o d e lt op r e d i c tt h ec o n c e n t r a t i o no f4 - c a r b o x y b e n z a l d h y d e ( 4 - c b a ) f o ra ni n d u s t r i a lp u r i f i e dt e r e p h t h a l i ca c i d ( p t a ) o x i d a t i o nu n i ti sd e v e l o p e d t h em o d e li sb a s e do nam e c h a n i s mm o d e lf r o mt h er e s u l t so fb e n c h s c a l el a b o r a t o r y e x p e r i m e n ta n dc h e m i c a lr e a c t i o np r i n c i p l e ，w h i c hi ss t r u c t u r e di n t ot w os e r i e si d e a l c s t rm o d e l s s i xp l a n tf a c t o r sa r ed e s i g n e dt oc o r r e c tt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h e l a b o r a t o r ym o d e la n dt h ei n d u s t r i a lp r a c t i c e f o rt h ee x i s t i n go fs u b s t a n t i a lt i m ed e l a y s b e t w e e np r o c e s sv a r i a b l e sa n dq u a l i t yv a r i a b l e , t h ew e i g h t e dm o v i n ga v e r a g em e t h o di s a p p l i e dt om a k ee a c hv a r i a b l eb ei ns a m et i m es l i c e t h ea n a l y s i so fp r o c e s sd a t ab y p r o j e c t i o no nl a t e n tv a r i a b l e so fp a r t i a ll e a s ts q u a r e ( p l s ) a n da n a l y s i so fh o t e l l i n g s t - s q u a r e ds t a t i s t i cv a l u eo fp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a r eg a v et od i s c r i m i n a t e t h eo p e r a t i n gd a t ai n t on o r m a lo p e r a t i n gp a r ta n dl o a dd o w na n dl o a du po p e r a t i n gp a r t a te a c ho p e r a t i n gp a r t ，t h et y p i c a ld a t aa r es e l e c t e dt or e g r e s st h ep l a n tf a c t o r s t h e p r o p o s e dm o d e lp r e d i c t i v er e s u l tf o l l o w st h et r a c k so ft h eo b s e r v e dv a l u eq u i t ew e l l c o m p a r e dw i t ht h ee m p i r i c a la m o c om o d e l ，t h ep r o p o s e dm o d e li sr e g a r d e da st ob e i l l a b s t r a c t m o r es u i t a b l et ob ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lo n l i n es o f ts e n s o r 2 a n o v e l m o d e l f o rr e s i d u a l f l u i dc a t a l y t i cc r a c k i n g p r o c e s s ( r f c c ) i s p r o p o s e d i t d i v i d e st h ew h o l er e a c t o ri n t ot w op a r t ：t h er i s e ra si d e a lp i p ef l o wr e a c t o ra n dt h es e t t l e ra si d e a lc s t r t h em o d e lc o n t a i n ss i xl u m p sr e a c t i o nk i n e t i c sw i t hs e r i a la n dp a r a l l e l n e t w o r k t h ec o m p a r i s o nb yi n d u s t r i a ld a t ap r o v e st h a tt h em o d e lc a np r e d i c tt h ep r o d u e t i v er a t eq u i t ew e l l t h ep r o p o s e dm o d e li ss u i t a b l et oo n l i n ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 3 s i m u l a t i o no fm u l t i s t a g ed i s t i l l a t i o nc o l u m ni so f t e nr e q u i r e df o ri t sd e s i g na n d o p e r a t i o n ad e b o t t l e n e c ks t u d yf o ra na c e t i ca c i d ( h a c ) d e h y d r a t i o nc o l u m ni ss t u d i e d i nt h i sp a p e r t h ec o l u m ni sc o n s i s t so f4s t r u c t u r a lp a c k i n gs e c t i o n sa tt h et o p ，as i e v e t r a ys e c t i o nw i t hs m a l l e rd i a m e t e ri nt h em i d d l ea n da s i e v et r a ys e c t i o nw i t hl a r g e rd i a m - e t e ra tt h eb o t t o m b yu s i n gs t e a d ys t a t es i m u l a t i o n , t h eb o t t l e n e c ko fi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fs e p a r a t i o ni si d e n t i f i e dt ob et h em i d d l es i e v et r a ys e c t i o nw i t hs m a l l e rd i a m e t e r a n ds m a l l e rt r a ys p a c i n g , a n dt h et w or e n o v a t i o ns c h e m e sw i t h o u ta n ya d d i t i o n a li n v e s t m e n to ne q u i p m e n ta r ep r o p o s e d 4 t h ed e v e l o p m e n ta n dp r a c t i c a lo p e r a t i o no fa ni n d u s t r i a ls o f t s e n s o rs y s t e mf o ra p t ao x i d a t i o nm x i ti si n t r o d u c e d t h es o f t - s e n s o rs y s t e mi sb a s e do nap r o c e s sm o d e l , w h i c hc o m b i n e dw i t haf i r s tp r i n c i p l em o d e la n di n d u s t r i a ld a t a i no r d e rt oi n c r e a s et h e p r e d i c ta c c u r a c yo fs o f t - s e n s o rs y s t e ma n dt h el e v e lo ft r a c kt h ed y n a m i c a lc h a n g eo ft h e p r a c t i c a lp r o c e s s ，aw e l l d e s i g n e do n l i n ec o r r e c tt e c h n i q u ei sp r o p o s e d t h ec o r r e c tt e c h n i q u ei sn a m e d a sd o u b l ec o r r e c tm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e so n l i n em o d e lt u n i n ga n dl a b o r - a t o r ya s s a yv a l u ec o r r e c t i n gw i t hd i f f e r e n tp e r i o d s t h es o f t - s e n s o rs o f t w a r ep a c k a g ei s p r o v e dt ob es u c c e s s f u lb yi n v e s t i g a t et h ei n d u s t r i a lp r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t , w h i c h c a ng u a r a n t e et og o o db a s i cf o rt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 5 an e wg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do ni n f e a s i b i l i t yd e g r e e ( i f d ) s e l e c t i o ni sp r o p o s e d f o rc o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e m s i n i t i a ls o l u t i o n sa n di n t e r m e d i a t es o l u t i o n sa r e a l l o w e dt ob ef e a s i b l ea sw e l la si n f e a s i b l ea sp e n a l t yf u n c t i o nm e t h o d s t h ei n f e a s i b i l i t y d e g r e eo fas o l u t i o n ( i f d ) i sd e f i n e da st h es u mo ft h es q u a r ev a l u eo fa l lt h ec o n s t r a i n t s v i o l a t i o na n dt h ei n f e a s i b i l i t yd e g r e es e l e c t i o no ft h ep o p u l a t i o ni sd e s i g n e dt h r o u g h c h e c k i n gw h e t h e rt h ei f do fas o l u t i o ni sl e s st h a no re q u a lt oat h r e s h o l dv a l u eo rn o tt o d e c i d et h ec a n d i d a t es o l u t i o ni sa c c e p t a b l eo rr e f u s a b l e t h em e t h o di sd i v i d e di n t ot w o s t a g e s ：f i r s t , i n i t i a li f ds e l e c t i o ni sc a r r i e do u tt op r o d u c ee n o u g hi n i t i a lf e a s i b l es o l u t i o n ； t h e nt h eg a sb a s e do na n n e a l i n gi f ds e l e c t i o ni sa p p l i e dt os e a r c hf o rt h ef e a s i b l e o p t i m u ms o l u t i o n t w os e l e c t e dp r o b l e m sa r eu s e dt ot e s tt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e 6 an o v e l , s i m p l ea n de f f i c i e n te v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mt om u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w h i c hb a s e do nn e i g h b o r h o o da n da r c h i v e do p e r a t i o n ( n a g a ) i sp r o p o s e d t h ei n n o v a t i o n sc o n t a i nt w om a i np a r t s ：n e i g h b o r h o o di d e n f i f yp r o c e d u r et oo b t a i n p a r e t oo p t i m a ls o l u t i o n sf r o mt h ep o p u l a t i o na n dn e i g h b o r h o o dc r o w d i n gp r o c e d u r et o m a i n t a i nt h ed i v e r s i t yo fp a r e t oo p t i m a ls o l u t i o n sp r e v i o u s l yf o u n d t h en e i g h b o r h o o d 浙江大学博士学位论文 i d e n t i r yp r o c e d u r ei sc o m p o s e do ft w os t e p s , f i r s tt oi d e n t i f yt h el o c a l l yn o n d o m i n a t e d s o l u t i o n sf r o mt h ep o p u l a t i o na n dt h e nt oo b t a i nt h eg l o b a ln o n - d o m i n a t e ds o l u t i o n s a m o n gt h el o c a l l ys o l u t i o n s t h en e i g h b o r h o o dc r o w d i n gi s i n t r o d u c e dt om a i n t a i na w i d e l yd i s t r i b u t e ds e to fp a r e t os o l u t i o n sa l o n gt h e p a r e t oo p t i m a lf r o n t ，w h i c ht h r o u g h i m p l e m e n t i n gac o m p a r i s o na m o n g t h en e i g h b o r h o o db o u n d so fn e wi d e n t i f i e dp a r e t o s o l u t i o n sa n dt h o s eo fs o l u t i o n si nt h ea r c h i v e t h ew i n n e r s ，w h i c ha r en o ti na n yr a n g e s o ft h es o l u t i o n si nt h ea r c h i v e , w i l lb ec o p i e dt ot h ea r c h i v ea w e l l t u n e df i t n e s sa s s i g n m e n tm e t h o di ss t r u c t u r e dt og u i d et h ep o p u l a t i o nc o n v e r g i n gt ot h et r u ep a r e t oo p t i m a l f r o n t t h i sm e t h o di sp r a g m a t i cc o m p r o m i s eb e t w e e nt h ec o m p u t a t i o n a ls i m p l i c i t ya n d e f f i c i e n c y f i v en i c e l yb a l a n c e dt e s tp r o b l e m sa r ep r o v i d e dt oc h e c kt h ep e r f o r m a n c eo f t h eo b t a i n e da p p r o a c h 7 am u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yo fi n d u s t r i a lp u r i f i e dt e r e p h t h a l i ca c i d ( p t a ) o x i d a t i o nu n i t i sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ei n d u s t r i a lo p e r a t i o ne f f i c i e n c y t h e m o d e li so b t a i n e db ye x p e r i m e n ta n dc h e m i c a lr e a c t i o np r i n c i p l e , w h i c hi ss t r u c t u r e di n t o t w os e r i e si d e a lc s t rm o d e l s i ng e n e r a l , t h eo p t i m a lo b j e c t i v eo fi n d u s t r i a lo p e r a t i o ni s t op r o d u c em o r ep r o d u c t i o n , w h i l s tp r e s e r v el e s sc o n s u m p t i o ni nb o t he n e r g ya n d m a t e r i a l sa n dm a i n t a i nt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o n i nt h ep t ao x i d a t i o nu n i t , t h em o s t i m p o r t a n tu n d e s i r e di n t e r u r e d i a t eg e n e r a t e di nt h ep r o c e s sa n da c c o m p a n i e dw i t ht h e c r u d et ai s4 - c a r b o x y b e n z a l d h y d e ( 4 - c b a ) ，w h i c hu s u a l l yr e g a r d e da sac r i t e r i o nt o j u d g et h eq u a l i t yo fp r o d u c t t h ey i e l do fp t ao x i d a t i o np r o c e s si sr e p r e s e n t e db yt h e i n l e tr a t eo ft h er e a c t o r i ti sa l s oo n eo ft h ed e c i s i o nv a r i a b l e si nt h em o d e l i no r d e rt ob e b e t t e ra p p l i e di nd i f f e r e n ti n d u s t r i a lo p e r a t i o nc a s e s ，af o u r - l e v e ls c a l a b l eo p e r a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m i ne a c ho p e r a t i o nc a s e s , d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fd e c i s i o nv a r i a b l e sa r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r i a l p r a c t i c a lc a s e s t h ed i s s e r t a t i o ni sc o n c l u d e dw i t has u m m a r ya n dp e r s p e c t i v e so ff u t u r er e s e a r c h t r e n da n dk e yi s s u e s k e y w o r d s p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , p r o c e s sm o d e l i n g ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，t h ef i r s t p r i n c i p l em o d e l , s o r - s e n s o bp t ao x i d a t i o np r o c e s s ，r e s i d u a lf l u i dc a t a l y t i c c r a c k i n g ，c o m p l e xd i s t i l l a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m , c o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o n ， m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n v 致谢 本文的研究工作是在导师褚健教授和苏宏业教授的精心指导和热情鼓励帮助下 完成的。值次论文完成之际，衷心感谢导师褚健教授五年来对我学业上的指导和 帮助。褚老师渊博的知识、丰富的创造力和不断攀登的精神时刻帮助我在科研工 作中把握正确的方向，并引导我前进。感谢褚老师在很多方面给我鼓励和支持， 并为我创造了一流的学习和科研环境。 衷心感谢苏老师多年来的全力支持和帮助。苏老师自从我入学起就一直给我 无私的提供完善的学习和科研环境，并时刻关注我的进步。他敏锐的洞察力，渊 博的学识和严谨的学风深深影响着我，并将使我受益终身。 感谢王树青教授，荣冈教授，古勇副教授，吴俊教授，毛维杰副教授，金晓 明教授对我一贯的支持和帮助。感谢古老师对我从事科研t 程项目的指导，他给 我提供了一个宽松又活跃的研究环境，使我在项日进度最艰难的时刻仍能很好保 持良好的精神面貌，顺利完成科研工程项目。 感谢王跃宣，刘瑞兰，贾涛，王长明，徐巍华讲师，翟海峰，盛云龙，王肖， 吴浩，董利达，胡永有，吴维敏，李鸿亮，陈利民，闻育，徐祖华，蒋鹏，u n i v e r s i t y o f s o u t h e mc a l i f o r n i a 的魏涛博士，u n i v e r s i t yo f w a s h i n g t o n 的陈剑博士以及先进 控制研究所的其他师兄弟们。在我这近五年的学习生涯，各位l 刊学，师兄弟给了 我莫大的帮助和启发，在此向他们表示深深的谢意。 感谢仪征化纤化t 厂朱雪灵总工程师，耿志洪副总工程师，董学军主任，姚 红江科长，姚俊工程师，浙大中控软件公司的杨开香工程师在p t a 溶剂脱水塔 的先进控制与优化和p t a 过程先进控制与优化项目中的大力支持和配合。 感谢i n d i a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , k a n p u r 的p r o f k a l y a n m o y d e b ，u n i v e r s i t y o f a l b e r t a 的p r o f s h i j i e “u ，清华大学化工系的陈丙珍教授的热情鼓励和帮助。 感谢我的外祖母，祖父母，父母亲，伯伯一家和姑妈一家和其他亲友的理解， 支持与关怀，并以此纪念我的外祖父和姑父。 最后谨将此文献给我最亲爱的妻子陈雪艳，本文是在她的不断支持、鼓励和 帮助下完成的。 浙江大学博士学位论文 第一章石化工业过程建模与优化综述 综述了连续工业过程建模与优化工作的意义，阐述了_ t - 业过程建模的特点。对工业过程存 在的不确定性问题进行了分析和3 - 程化处理，比较了基于机理建模和统计建模的特点，并 对石化工业过程三个典型装置：催化裂化反应装置、p t a 氧化反应单元和醋酸溶剂脱水塔 的建模的现状和特点进行了介绍。针对工业过程稳态优化中传统方法的缺陷，本文介绍了 利用遗传算法( 进化算法) 处理3 - 业过程中典型的两类相互关联的稳态优化问题：约束优 化和多目标优化问题研究工作的意义和进展。最后对论文的工作做了总结。 关键字：石化工业过程，机理建模，经验建模，不确定性问题，软测量，p t a 氧化过程， 渣油催化裂化，复合精馏塔，约束优化，多目标优化，遗传算法 1 工业建模与过程优化的意义 石化过程工业的发展对于任何国家的国民经济发展都有着重人的影响。随着世界经济 的全球化发展趋势，石化过程工业除了需要满足以往传统的三项要求：安全性、经济性和 稳定性( 金以慧，1 9 9 3 ) 外，还越来越需要实现环保要求、可持续发展要求( b a k s h i ，e t a t , 2 0 0 3 ) 、侧重对产品( 而不是过程) 的设计要求( w e s t e d , e r g , 2 0 0 1 ) 。世界异国都在注重 石化过程工业在国民经济中的地佛，采用高新技术改造和加快连续过程工业的发展。 石化工业过程通常伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程、物质与能量的转换和 传递，是一个十分复杂的人工业系统；石化工业生产过程强调实时性、整体性，各生产装 置间存在复杂的耦台、制约关系，要求从全局协调，以求整个生产装置运行平稳、高效。 这些都对工业过程控制、优化与集成提出了新的要求。现代石化工业过程的先进控制、软 测量、过程优化、调度与管理等都是以模型为基础的。然而，随着过程工业的人型化、综 合化、复杂化，工业过程的建模难度也愈来愈人。它不仅涉及到工业对象的1 f 线性、不确 定性、人时滞、参数分布性和时变性等内在的复杂机理问题，而且涉及到客观环境和“人 为”环境的作用问题。从系统的观点来考察，现代工业过稃已有稳态系统与动态系统的结 合、离散事件系统与连续时间系统的结台、符号系统等与数值系统的结台、人一机系统等 的特点( 刘士荣和俞金寿，1 9 9 9 ) 。因而，过程建模也应当突破传统的机理建模和统计建模 等框架，从较为广阔的视野综合运用控制理论、信息处理、现代统计理论和优化技术来实 现工业过稗建模。 在许多工业控制场合，普遍存在着一人类这样的变量：它们由于技术或经济的原因， 目前尚难以或无法通过传感器进行检测；但同时又是需要加以严格控制的、与产品质量密 切相关的重要过程参数( 于静江等，1 9 9 6 ) ，如精馏塔的产品组份浓度、催化裂化装置反应 系统中催化剂循环量、p t a 氧化过程产品粗t a 中4 - c b a 浓度等。软测量技术是解决这类 第5 贞共1 4 2 贞 第一章石化工业过程建模与优化综述 难咀在线测量变量估计问题的有效方法( m c a v o y ，1 9 9 2 ) 。软测量的基本思想是把自动 控制理论与生产工艺过程知识有机结合起米，应用计算机技术，对于一些难以测量或暂时不 能测量的重要变量( 土导变量) ，选择另外一些容易测量的变量( 二次变量或辅助变量) ，通 过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件( 传感器) 功能，这类方法具有响应 迅速，连续给出土导变量信息，且投资低、维护简单等优点( 俞金寿等，2 0 0 0 ) 。它克服了 人工分析及使h j 在线分析仪表的请多不足，足实现在线质量控制及先进控制、优化控制的前 提和基础( 仲蔚等，2 0 0 0 ) 。软测量技术涉及到操作变量和测量点的选择、数据处理、软测 量模型建立、存线校正等。软测量技术的核心是建立工业对象的精确可靠的模型。目前，建 立软测量模型的主要方法是非线性回归、偏最小二乘回归0 l r ) 、主元回归( p c r ) 、神经元网 络等。以软测量为基础的质量估计反馈构成质量控制系统。当前，用于质量控制系统的控制 策略主要有改进的p i d 控制、多变量协调控制、多变量预测控制等。 工业过程稳态优化是过稃系统取得经济效益的重要保证( 万百五，1 9 9 8 ；裴浩