（检测技术与自动化装置专业论文）轻烃分馏装置的建模与先进控制应用研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 精馏过程是炼油、化工行业中最常用的物理分离过程，通常决定了这些工 业企业的产品质量和生产能力。另一方面，糟馏塔又是耗能最多的设备。仅就 炼油工业而言，精馏过程的能耗约占行业能耗的4 0 ，随着对分离程度要求的 提高，其能耗还会增加。 目前，许多工业精馏塔的控制仍停留在几个参数的单回路控制水平。当过 程出现大的负荷变化或者其它物料、能量方面的扰动时，常规单回路控制很难 达到期望的控制效果。 使用先进控制技术，能够改善塔的操作，达到改进产品质量，增加目标产 品收率及降低能耗等诸目标中的一个乃至全部，将可为企业带来可观的经济效 益。 先进控制技术几十年来在理论上获得了极大的发展，并在石油、化工企业许 多装置中得到应用，但国内应用自主开发的先控软件还不多。本文以浙大中控软 件有限公司开发的高级多变量鲁棒预测控制软件- - a p c a d c o n 在轻烃分馏装置 的应用为研究背景，对先进控制技术的应用问题展开研究。 本文的主要内容： 1 对先进控制技术的最新进展进行了综述，并给出了当前对模型预测控制 的最新研究成果。 2 阐述了多变量模型预测控制技术原理，主要包括模型预测控制的发展、 基本原理及预测控制的算法。 3 介绍了轻烃分馏装置的工艺过程，并对先进控制在分馏装置上的应用现 状进行了分析。 4 分析轻烃分馏装置的控制难点，提出了相应的先进控制系统总体方案。 5 介绍了轻烃分馏装置先进控制的实施和实旄结果。 6 总结了本文所作的工作，并展望了先进控制技术在流程工业中的应用前 景。 关键词：先进控制、模型预测控制、轻烃分馏装置 浙江大学硕士论文 a b s 7 i r a c t t h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n dt h eo u t p u to fa ne n t e r p r i s eo ft h er e f i n i n ga n dc h e m i c a l i n d u s t r i e sa r eu s u a l l yd e t e r m i n e db yd i s t i l l a t i o np r o c e s s ，ap h y s i e a ls e p a r a t ep r o c e s s t h a ti st h em o s t l yf r e q u e n t l yu s e di nt h e s ei n d u s t r i e s d i s t i l l a t i o nc o l u m ni st h em o s t e n e r g y - c o n s u m i n gp l a n ti nt h er e f i n i n gi n d u s t r ya n d t h ed i s t i l l a t i o np r o c e s sc o n s u n l e s a b o u t4 0p e r c e n t so ft h ew h o l ee n e r g yc o n s u m e db yt h ei n d u s t r y w h a ti sm o r e ，t h e d i s t i l l a t i o nw i l lc o n s u m em o r ea n dm o r ee n e r g ya l o n gw i t ht h eh i g h e rr e q u i r e m e n to f s e p a r a t i o n p r e s e n t l y , t h ec o n t r o lo fm a n yi n d u s t r yd i s t i l l a t i o nc o l u m n si ss t i l l a tal e v e lo f s i n g l e l o o pw i t hs e v e r a lp a r a m e t e r s h o w e v e r , t h er e g u l a rs i n g l e - l o o p c o n t r o li s d i f f i c u l tt om e e tt h ee x p e c t e dc o n t r o lo b j e c ti nt h ec a s et h a tt h e r ea r eo b v i o u s l yl o a d c h a n g eo rm a t e r i a la n de n e r g yd i s t u r b a n c ei nt h ep r o c e s s a ne n t e r p r i s ew i l lb e n e f i tm o r ef r o mt h ei m p r o v e m e n to ft h eo p e r a t i o no f d i s t i l l a t i o nc o l u m na n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n ，t h ei n c r e a s eo ft a r g e tp r o d u c t i o n o u t p u ta n dt h ed e c r e a s eo fc o n s u m e de n e r g yb ye x p l o i t i n gt h ea d v a n c e dp r o c e s s c o n t r o l ( a p c ) t e c h n o l o g y a q u i t eg r e a tp r o g r e s so ft h ea p ct e c h n o l o g yh a sb e e nm a d ei nt h ep a s td e c a d e s a n dt h et e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nm a n yp l a n t s i n r e f i n i n ga n dc h e m i c a l e n t e r p r i s e s h o w e v e r ，t h e r ei sf e wi n d e p e n d e n td e v e l o p e da p cs o f t w a r ei nd o m e s t i c b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r eo fa p c a d c o n ，a na d v a n c e dm u l t i 。v a r i a b l e s r o b u s tp r e d i c t i v ec o n t r o ls o f t w a r ed e v e l o p e db yz h e j i a n gs u p c o ns o f t w a r e c o ，l t d ，i nah y d r o c a r b o nd i s t i l l a t i o np l a n t ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ea p p l i c a t i o no f t h e a p ct e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： t h en e wp r o g r e s so ft h ea p ct e c h n o l o g ya n dm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o li sr e v i e w e d i nc h a p t e r1 t h ep r i n c i p l eo fm o d e lm u l t i - v a r i a b l e sp r e d i c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yi n c l u d i n gi t s d e v e l o p m e n th i s t o r y , b a s i cp r i n c i p l ea n da l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nc h a p t e r2 t h et e c h n i c a lp r o c e s so fh y d r o c a r b o nd i s t i l l a t i o np l a n ti si n t r o d u c e da n dt h e l i 浙江大学硕士论文 a p p l i c a t i o na c t u a l i t yo f a p ci nd i s t i l l a t i o np l a n ti sa n a l y z e di nc h a p t e r3 t h ec o n t r o ld i f f i c u l t i e so fh y d r o c a r b o nd i s t i l l a t i o np l a n ta r ea n a l y z e da n di t s c o r r e s p o n d i n ga p cf r a m ei sp r o p o s e di nc h a p t e r4 t h ei m p l e m e n t a t i o no fa p co nh y d r o c a r b o nd i s t i l l a t i o np l a n ta n di t sc o n t r o le f f e c t i si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e da n dt h ea p p l i c a t i o no f t h e a p c t e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s si n d u s t r yi sa l s op r o s p e c t e di nt h el a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ；m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ；h y d r o c a r b o n d i s t i l l a t i o np l a n t i i 浙江大学硕士论文 第一章绪论与综述 我国在新世纪初提出了“信息化带动工业化”的国策，用高新技术改造传统产 业是这一国策的具体体现，在这一过程中，自动化是核心，自动化水平的高低直 接决定了工业化的水平和质量。本文就先进控制技术( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 a p c ) 在流程工业中的应用进行研究。 1 1 1 引畜 随着国民经济体制的改变，使国内的众多工业生产过程日益感受到国际问竞 争所带来的压力和挑战。在这种大的背景下，积极开发和应用先进控制和实时优 化以提高企业经济效益1 3 1 ，进而增强自身的竞争力是流程工业迎接挑战的重要对 策。现代控制理论和人工智能几十年来的发展已为先进控制奠定了应用理论基 础，而控制计算机尤其是集散控制系统( d c s ) 的普及与提高，则为先进控制的 应用提供了强有力的硬件和软件平台。总之，企业的需要、控制理论的发展和计 算机技术的更新换代是先进控制( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 发展强有力的推动 力【3 j 。 先进控制是对那些不同于常规单回路p i d 控制，并且有比常规p i d 控制更 好控制效果的控制策略的统称【2 l ，而并非专指某种计算机控制算法。这些控制策 略的先进性在于它们目前在工业生产过程中尚很少使用。由于先进控制的内涵丰 富，同时带有较强的时代特征，因此，至今对先进控制还没有严格的、统一的定 义。尽管如此，先进控制的任务却是明确的，即用来处理那些采用常规控制效果 不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。先进控制应用得当可带来显著 的经济效益。以石油化工行业为例，一个先进控制项目的年经济效益在百万元以 卜，其投资回收期一般在一年以内，丰厚的回报是先进控制引人瞩目之处。 从全厂综合自动化的角度看，先进控制恰好处在承 = 启f 的重要地位。性 能良好的先进控制是在线优化得以有效实施的前提，并进而可将企业的经营决 策、生产管理和调度的有关信息及时落实到各个生产装罨的实际运行中，真正实 现全厂综合优化控制1 5 j o 先进控制在企业综合自动化的作用如图1 1 所示p j 。 浙江大学硕士论文 r m l s 厂级计算机 一】乙 图1 1 先进控制的作用 1 r l 过程计算机 1 2 先进控制技术发展与现状 1 2 1 技术现状 在流程工业中，从2 0 世纪4 0 年代开始。单【豳路p i d 控制一直是过程控制的 主要手段1 5 】，它以经典控制理论为基础、主要用频域方法进行控制系统的分析设 计和综合。目前、p i d 控制仍得到广泛应用、甚至在分散控制系统( d c s ) 较普及 的现代流程工业中、这类回路仍占总回路数的8 0 一9 0 。这是因为p i d 控制 算法通过对人的有效操作方式的总结与模仿，可以达到使一般工业过程平稳运行 的目的，而且这类算法简单且应用历史悠久、工程人员和操作者比较熟悉且容易 接受。然而，在生产过程中，仍有1 肛_ 2 0 的控制问题采用常规p i d 控制无法 奏效i3 1 ，所涉及的对象往往具有多变量、强耦合性、不确定性、非线性、信息的 不完全性和大纯滞后等特征，并存在着苛刻的约束条件。而且、这些难对付的对 象通常是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率和消耗等经济指标。 随着现代流程工业日益走向大型化、连续化，过程本身对控制系统提出了更高的 要求，即在平稳操作的基础上追求最佳的经济效益和社会效益，囡此，迫切需要 一些能从整体优化的角度处理上述复杂过程的先进控制策略。 从2 0 世纪5 0 年代开始，过程控制界逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀 下i|；上 浙江大学硕士论文 和s m i t h 预估控制等复杂控制系统【2 1 】。它们在很大程度上满足了复杂工业的一些 特殊的控制要求。虽然从理论上看，它们仍以经典控制理论为基础，但在结构和 应用上各有特色、而且目前仍在继续改进和发展。自2 0 世纪6 0 年代初发展起来 的以状态空间方法和现代频域方法为主体的现代控制理论为过程控制提供了状 态反馈、输出反馈、解耦控制、最优控制、自适应控制等一系列控制系统设计方 法：对于状态不能直接测量的情形，还提供了观测器和估计器等工具。然而，当 现代控制理论真正应用于工业过程控制时，却遇到了前所未有的困难。究其原因， 人们发现，除了这些多变量控制策略自身的不足之处，如解耦控制在处理约束和 控制结构变动时缺乏灵活性，工业过程的复杂性也造成了难以建立其正确的数学 模型，从而使得模型成为现代控制理论工业应用的一个瓶颈；此外，现代控制理 论对于数学基础的要求也在一定程度上阻碍了它为过程控制界所熟悉和了解。尽 管如此，现代控制理论及其在现代工业中的应用还是为过程控制领域提供了丰富 的思想和方法，进而成为先进控制的重要理论基础。 2 0 世纪7 0 年代中、后期，计算机技术的持续发展所带来的强大计算能力使 得求解许多过去难以完成的计算问题成为可能，并促进了计算机在工业控制中的 广泛应用，出现了分散控制系统和可编程控制器( p l c ) 为代表的新型控制系统平 台；人工智能几十年来的发展则丰富了过程控制中的数据处理与信息加工的手 段，并推动了智能控制的实用化。这一切都孕育着控制领域的新突破【3 引。1 9 8 0 年前后，来自过程控制界的两位开拓者，法国的r i c h a l e t 和美国的c u t l e r 分别报道 了各自有关解决有约束多变量系统实时控制问题的研究成果和工业应用情况，即 著名的模型预测启发式控甫i j ( m p h c ) 和动念矩阵控制( d m c ) 。这一事实表明， 现代流程工业已开始接受先进控制的概念。在8 0 年代，出现了许多约束模型预 测控制的工程化软件包。通过模型辨识、优化算法、控制结构分析、参数整定、 系统稳定性和鲁棒性等一系列研究工作，基于模型的控制理论体系和商品化软件 已基本形成，并成为目前过程拄制中应用最成功的先进控制技术| 4 j 。 近年来，随着控制理论与计算机技术的迅速发展，自适应控制亦获得了很大 发展，形成了独特的方法与理论。自适应控制系统是个具有适应能力的系统， 基于对过程参数与环境条件变化的识别自动地调整控制规律。工业应用较多的自 适应控制具有自校难控制、模型参考自适应控制中的些简单结构，如多变量自 浙江大学硕士论文 整定调节器、预测控制中的模型在线自适应等。与此同时，智能化处理已成为过 程控制界的一种重要技术，其主要方法有专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传 算法及其各种结合体。目前，己出现不少以它们为核心的过程软测量与控制、过 程故障诊断和监督控制等先进控制软件，并在流程工业中取得了成功应用。为了 解决工业过程中普通存在的内在非线性，统计过程建模方法，如部分最小二乘 ( p l s ) 、奇异值分解( s v d ) 和基于主元分析的主元回归( p c r ) 等，与过程机理知识、 各种传统和或智能建模方法相结合形成各种混合建模策略。混合模型不仅可用 于过程软测量，而且也成为模型预测控制中的一种新的模型形式。 随着计算机监督和控制系统在工业过程中的广泛应用，每个企业都有成百上 千个变量被频繁采集、形成庞大的实时数据集。利用这些“信息的金矿可以提取 关键信息进而监视和分析过程的行为，达到提高产品质量、增加生产安全性、减 少损失和增加利润的目的。统计过程控审t j ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l 、s p c ) 是实现 这种信息提取的重要技术手段。通过分析质量变量与目标的偏离程度及其随机 性，发现导致质量变化的异常事件，确定并消除其产生的原因。统计过程控制与 先进控制技术的相结合，对于生产和处理高质量特殊材科，以及产品的间歇和半 间歇过程分析、监视、控制和故障诊断，都具有重要意义【3 1 。 为了更好地理解和认识先进控制在整个控制领域中的地位，可以引用著名过 程控制专家d e s e b o r g 给出的有关过程控制策略分类的阐述，如表1 一l 所 不： 表1 1 按应用程度分类的过程控制策略 传统控制策略手动控制、p i d 控制、比值控制、串缴控制、前馈控制； 经典技术增益调整、时滞补偿、解耦控制 流行技术模型预测控制、内模控制、自适应控制、统计质量控制 潜在技术最优控制、非线性控制、专家控制、神经控制、模糊控制 研究中的策略鲁棒控制、h o o 控制、u 综合 先进控制技术到底应该包括一些什么内容，不同的研究者或者不同的研究团 体可能有1 i 同的看法。但可以肯定的是。p i d 控制器参数自动整定、自适应控制、 模型预测控制应该是现阶段先进控制技术的最基本内容。 浙江大学硕士论文 1 2 - 2 模型预测控制技术原理简介及相应软件介绍 模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略，己在炼油、化工、冶金、 和电力等复杂工业过程中得到了广泛的应用【3 6 】。其算法核心是：可预测过程未来 行为的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈校 正。模型预测控制具有控制效果好，鲁棒性强的优点，可有效地克服过程的不确 定性、非线性和关联性，并能方便地处理过程被控变量和操作变量中的各种约束。 可将模型预测控制分为三大类 3 】： 第一类，基于非参数模型的预测控制算法。代表性的算法有模型算法控制 ( m a c ) 和动态矩阵控制( d m c ) 。这类算法分别采用有限脉冲响应模型和有 限阶跃响应模型作为过程预测模型，无需考虑模型结构和阶次，可将过程时滞自 然纳入模型中，尤其适合表示动态响应不规则的对象特征，适合处理开环稳定多 变量过程约束问题的控制。 第二类，基于a r m a 或c a r i m a 等输入输出参数化模型的预测控制算法。 这类算法由经典自适应控制发展而来，融合了自校正控制和预测控制的优点，其 反馈校正通过模型的在线辨识和控制律的在线修正以自校正的方式实现，其中最 具有代表性的是广义预测控制( g p c ) 算法，它可用于开环不稳定、非最小相位 和时变时滞等较难控制的对象，并对系统的时滞和阶次不确定有良好的鲁棒性。 但对于多变量系统，算法实施较困难。 第三类，称为“滚动时域控制”( r e c e d i n gh o r i g o nc o n t r o l ，r h c ) ，在理论界， 由著名的l o 或l q c 算法发展而来。对于状态空间模型，用有限时域二次性能 指标再加终端约束滚动时域控制方法来保证系统稳定性。它已拓展至跟踪控制和 输出反馈控制。 各类模型预测控制算法虽然在模型、控制和性能上存在许多差异，但其核心 都是基于滚动时域原理，算法中包含了模型预测、滚动优化和反馈校正三个基本 原理。 就先进控制软件的发展而苦，专业性的控制软件公司如a s p e nt e c h 公司、 a d e r s a 公司和t r e i b e r 控制公州等，流程工业的大型跨国公司如s h e l l 、e x x o n 等， d c s 和p l c 制造商如h o n e y w e l l 公司、f i s h e r - - r o s e m o u n t 公司等，三者的共同 推动了先进控制技术的发展和先进控制软件的更新换代。以预测控制为例，从第 浙江大学硕士论文 一次公开发表至今已发展到第三代。第一代以a d e r s a 的i d c o m 和s h e l lo i l 的 d m c 为代表，算法主要针对无约束多变量过程。第二代以s h e l lo i l 的q d m c 为代表，处理约束多变量过程的控制问题。第三代的产品包括a d e r s a 的h i e c o m 和p f c 、a s p e nt e c h 的d m cp l u s 和h o n e y w e l l 的r m p c t ，其算法增加了摆脱不 可行解的办法，并具有容错和多个目标函数等功能。 近年来，先进控制软件及其产业出现了综合集成的发展趋势。许多d c s 制 造商，如h o n e y w e l l 公司、s i e m e n s 公司等通过收购从事先进控制、工艺模拟和 计算机网络通信等专业技术的软件公司，纷纷推出集硬件和软件一体化的全厂综 合自动化全面解决方案。另一方面，控制软件业也通过收购、兼并形成大型软件 工程公司，可以提供全厂综合自动化各层次成套应用软件和工程服务，其典型代 表就是美国的a s p e nt e c h 公司。值得注意的是、一些专业性的计算机公司，如 i b m 公司等也积极发挥其在信息集成领域的优势，推出全厂综合自动化的信息 集成平台。这一切预示着今后在先进控制技术乃至整个综合自动化应用领域将出 现激烈的市场竞争。 国内在 ：业过程先进控制的研究和应用方面虽起步较晚，但也引起了专家、 学者、生产厂家和主管部门的高度重视。一方面，以中国石化集团公司为代表的 一些行业已引进数十套各类先进控制软件。另一方面，国内的高校、科研机构和 企业通过多年的合作攻关，产生了一批达到国际水平的先进控制研究成果。这些 工作使我们积累了大量的先进控制工程应用经验，并形成了一批应用先进控制技 术的技术力量。 总之，现代控制理论和人工智能几 + 年来的发展己为先进控制奠定了应用理 论基础，而控制计算机尤其是分散控制系统的普及与提高则为先进控制技术的应 用提供了强有力的硬件和软件平台。企业的需要，控制理论和计算机技术的发展， 是先进控制技术发展强劲的推动力【j j 。 1 3 先进控制技术的技术特点 先进控制技术的任务是解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂 工业过程的控制问题。其先进性在于它们尚末在工、l p 过程控制中得到普遍便用。 先进控制符合工艺机理要求，有合理的控制目标、可以适应于具有复杂动态特性、 纯滞后、多变量、有不可测变量、变量有约束等过程，并在工况变化时仍有较好 浙江大学硕士论文 的控制性能，可充分发挥装置的生产潜力，优化生产，便于操作，运行可靠。从 全厂综合自动化的角度看，性能良好的先进控制处在承上启下的重要地位。它是 在线优化得以有效实施的前提，进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调 度的有关信息及时落实到全厂生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂综合优 化控制。 先进控制的主要特点i l j 在于： ( i ) 与传统的p i d 控制不同，先进控制通常是一种基于模型的控制策略，如 模型预测控制和推断控制等。当然，基于知识的控制，如智能控制和模糊控制也 正成为先进控制的一个重要内容。 ( 2 ) 先进控制主要用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、强耦合、 不确定性以及被控变量与控制变量间存在各种约束等。它是建立在常规单回路控 制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操 作要求。 ( 3 ) 先进控制技术一般都要使用过程模型进行复杂的优化计算，运算量大， 而控制又是实时进行的，这就对控制计算机的性能提出了很高的要求。早期的先 进控制软件主要在工控机或d c s 的上位机上实施，近年来，随着d c s 价格的日 趋降低、功能的不断增强和高计算效率控制算法的提出，一些先进控制软件也可 以与基本控制回路起在d c s 上实现。因此，现代计算机是实施先进控制的物 质基础。 ( 4 1 先进控制软件应用得当可带来显著的经济效益和社会效益。以石化行业 为例，一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上，其投资回收期一般在一年 以内，丰厚的回报是先进控制引人瞩目之处p j 。 1 4 先进控制技术的核心内容p 1 作为一个整体，先进控制应包括数据采集处理、数学模型建立、先进控制策 略和工程实施等全部内容。 1 4 1 数据的采集、处理和软测量技术 利用大量的实测信息，是先进控制的优势所在。由于来自工业现场的过程信 息通常带有噪声，数据采集时应作滤波处理，采集到的数据还应进行过失误差的 检测与识别、过程数据的有效性检验及数据调理1 ：作，这是先进控制应用的重要 浙江大学硕士论文 保障。基于可测信息和模型、实时计算不可测量的变量，即软测量技术，是先进 控制中不可缺少的内容，例如汽油饱和蒸气压、粗汽油干点、轻柴油顷点、催化 裂化中的反应热、再生器的烧焦状况、反应产品分布和催化剂循环量以及某些精 馏塔的两端质量指标估计等。这些关系到产品质量的关键变量，由于质量测量仪 表的缺乏或不可靠，无法获得实时的可靠的在线信息，因此，可采用包括工艺稳 态模型、神经网络模型和动态数学模型等来推断估计。 1 4 2 多变量动态过程模型辨识技术 获取对象的动态数学模型是实施先进控制的基础。对于复杂工业过程，需 要强有力的辨识软件、以便在易除一些过失虚假数据的基础上，把分段有效数据 有机地组合起来，最终通过实际工业生产环境下进行现场装置试验的数据，获得 多输人多输出( m i m o ) 动态数学模型。实际工业过程模型化是一项专门的技术， 它涉及到过程动态学、系统辨识、统计学以及人工智能等多种知识。尽管目前类 似模型预测控制这样的先进控制策略均采用工业试验的方法来获取控制模型，但 是那些准确且可靠的机理模型( f i r s tp r i n c i p l em o d e l ) 和智能模型的建立也有望成 为有效的控制模型。 1 4 - 3 先进控制策略 先进控制系统采用了合理的控制目标和控制结构【5 1 、可更好地适应工业生产 过程的需要。先进控制主要解决的问题有： f 1 1 个别重要过程变量控制性能的改善，主要采用单变量控型预测控制与原 控制回路构成所谓的“透明控制”的方式； ( 2 ) 约束多变量过程的协调控制问题，主要采用带协调层的多变量预测控制 策略； ( 3 ) 推断质量控制，利用软测量的结果实现闭环的质量卡边控制。目前在商 品化先进控制软件包中普遍采用的控制策略有：多变量约束过程的预测控制、推 断控制、协调控制、质量卡边控制、统计过程控制，d 2 t i e 在兴起与开发中的模 糊控制、神经控制、非线性控制和鲁棒控制。 1 4 4 故障检测、预报。诊断和处理 故障检测、预报、诊断和处理系统不仅可保证上述先进控制策略的安全运行， 而且是避免事故、减少停车、提高经济效益的重要方面。专家系统、知识工程、 塑垩查兰堡主丝塞 模糊系统、神经网络是目前常见的故障诊断方法，此外还有基于数学模型的方法。 容错控制获得了更深入的研究、即在故障出现后它仍能保证控制系统正常工作。 1 4 5 先进控制的实施 实施先进控制不仅要获得技术上的成功，更重要的是使企业赢得经济上的成 功。从企业的角度看，实施先进控制也存在一定的风险，风险大小受两方面因素 的影响：( 1 ) 企业管理层的重视程度；( 2 ) 先进控制使用者对它的接受程度。这就 需要严格地按照一定的程序完成先进控制的项目评估、技术与商务谈判、项目工 程服务等一系列工作【3 】。其中，值得注意的有以下几方面。 a 先进控制的经济性能分析 先进控制系统的最终目的是从生产中获得最大的经济效益，同时满足对于 产品规格、操作约束、生产安全和环境保护等多方面的要求。在实施先进控制项 目时，除了要定量估计先进控制技术对于过程性能的改进程度外、更重要的是将 这种估计转换成经济和社会指标。此外，效益成本分析也是决定是否采用先进 控制以及采用何种先进控制策略的重要依据。 b 先进控制的概念设计 先进控制设计应分为概念设计和工程设计两个阶段。在确定具体控制算法之 前的所有设计活动都应归于概念设计。概念设计不同于工程设计，但它是工程设 计的准备和基础。通过概念设计的分层次预处理，设计者可以从众多备选方案中 有效地筛选出较好的方案。概念设计不仅涉及到工艺、过程动态学、统计过程控 制和控制理论等多门学科知识，而且依赖设计者对过程的理解和自身的设计经 验。 c 先进控制中的模型 基于模型的控制是目前先进控制技术的主流，特别适合处理复杂多变量过程 控制问题。建模是这类项目实施中最耗时的一项工作，而模型的好坏直接影响到 先进控制的应用效果。因此，对于这种模型的要求是既简单，又能反映过程主要 特征、满足操作和控制要求，一般情况下，建模需要将过程机理与系统辨识相结 合。 d 先进控制与基础控制 要j f 确处理好基础控制和先进控制之间的关系。多数情况下，先进控制器的 浙江大学硕士论文 输出是作为基本p i d 控制器的设定值，而不是直接送至执行机构。因此，基本控 制回路是实施先进控制的基础，基本回路性能变差时会降低先进控制的性能。在 实施先进控制时，应首先排除基础控制层的问题、并合理整定基本p i d 控制器的 参数。 e 先进控制与人的关系 在先进控制的实施和使用过程中，人起着决定性作用。操作人员对先迸控制 的理解程度和先进控制人机界面是否友好决定了先进控制的投用率。因此，从先 进控制实施的角度看，应注意建立良好的先进控制人机界面，做好项目实施中的 人员培训工作，建立完善的先进控制系统文档资料以及进行及时有效的售后服务 工作。 1 5 先进控制技术的工业应用及现状 先进控制技术的内容十分丰富，各种控制策略都有其适用的场合。因此， 在应用先进控制技术时，需要根据实际工业过程的特点选择合适的技术加以实 施。目前，应用最广泛，最成熟的是模型预测控制。 模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略1 3 3 1 3 6 1 ，已在炼油、化工、 冶金、和电力等复杂工业过程中得到了广泛的应用。其算法核心是：可预测过 程未来行为的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差 的反馈校正。模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服 过程的不确定性、非线性和关联性，并能方便地处理过程被控变量和操作变量 中的各种约束。 从理论角度看，模型预测控制的思想可回溯到5 0 年代末k a l m a n 所提出的 种通过预测回路未来行为来相应调整参数的调节器。这之后，p r o p o i 在1 9 6 3 年提出了滚动时域控制器，l e e 和m a r k u s 在1 9 6 7 年的最优控制文章中涉及到现 今的预测控制方法。而由于计算能力的限制，直到十余年后，预测控制作为一 种新的控制策略才正式由过程控制界提出。因此，最优控制与系统辨识是预测 控制的理论渊源和基础。1 9 8 0 年以后，出现了许多模型预测控制的工程化软件 包。工程实践和理论研究两方面的相：互促进，通过在模型识别、优化算法、控 制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，终于使模型 预测控制成为一种比较成熟的控制思想，并成为目前过程控制领域应用最成功、 1 0 浙江大学硕士论文 也最有前途的先进控制测略。 在预测控制问世以来的十多年里，随着计算机技术的发展和日益复杂的工业 系统对先进控制的需求，使预测控制的应用范围日益扩大，控制水平目益提高。 目前，预测控制已成为工业控制领域应用最多的一种先进控剑策略。有资料显示， 截止2 0 0 0 年，全球预测控制的工业应用领域遍及炼油、石化、化工、造纸、天 然气、矿冶、食品加工、炉窑、航空、汽车等行业。其中，炼油企业采用了以预 测控制为核心的先进控制策略的已近2 5 0 0 套装置，石化企业5 0 0 套装置。国外 著名的控制工程公司，如d m c 公司、a d e r s a 公司、s e t p o i n t 公司、a s p e n t e c h 公司和t r e i b e r c o n t r o l 公司等都开发了各自的商品化预测控制软件包，在国内， 浙江中控软件技术有限公司也开发了自己的高级鲁棒多变量预测控制软件 a p c - a d c o n ，并已在多套装置上成功应用，取得了良好的经济效益。 一般来讲，先进控制实施的主要内容有： 1 ) 先进控制系统的方案设计； 2 ) 基础回路整改；建立d c s 与先进控制上位机的通讯； 3 ) 过程测试：对相关变量施加测试信号，采集建模所必需的数据； 4 ) 过程模型辨识：利用辨识软件对测试数据进行处理，辨识得到控制模型： 5 ) 控制结构设计：利用设计软件进行多变量预测控制器的设计； 6 ) 离线仿真：对设计好的控制器进行的控制系统稳定性和性能的测试； 7 ) 在线仿真：将控制器安装到相应的先进控制上位机，进行在线跟踪测试； 8 ) 现场投运：在完成必要的切换程序和先控操作d c s 画面组态的基础上， 将控制器应用到装置中，根据需要对控制参数作适当调整，以达到满意 的控制效果。 1 6 本文主要研究工作及论文结构 精馏过程是炼油、化工行业中最常用的物理分离过程之1 ，通常决定了这 些工业企业的产品质璧和生产能力。另方面，精馏塔义是耗能最多的设备之 一。仅就炼油工业而言，精馏过程的能耗约占行业能耗的4 0 ，随着对分离程 度要求的提高，其能耗还会增加。困此，如果能从过程控制的角度出发来改善 塔的操作，达到改进产品质量，增加目标产品收率及降低能耗等诺目标的一个 浙江大学硕士论文 乃至全部，将可为企业带来可观的经济效益。事实上，精馏过程控制一直是过 程控制领域的一个重要研究课题。 目前许多工业精馏塔的控制仍停留在某几个参数( 如成分、蓄积量) 的单回 路控制水平。当过程出现大的负荷变化或者其他物料、能量方面的扰动时，常 规单回路控制很难达到期望的控制效果，而主要依赖操作者手工操作。这不仅 使操作人员劳动强度增大，而且对精馏塔的平稳操作很不利。由于先进控制往 往是处理整个过程而非局部单变量系统，并能把过程系统专家知识结合到过程 控制技术中，因而它可以获得更高的操作效率和经济效益。采用先进控制是解 决精馏过程控制问题的有效途径。 通常，精馏塔控制的任务可归纳为：( 1 ) 产品质量控制，主要是克服进料组 分、温度和进料量的变化对产品质量的影响：( 2 ) 热量控制，主要是确保重沸器 ( 炉) 、冷凝器和预热器( 炉) 等的传热效率，以增强塔操作的稳定性和保持产品产 率。此外，在满足产品质量规格、设备约束和塔负荷的条件下，使进料量达到最 大以增加处理量以及使塔压减至最小以降低能耗。 目前，针对工业精馏塔开发的先进控制策略很多、其中典型的有前馈控制、 解耦控制、内回流控制、基于分析仪的控制、基于软测量的控制、时滞补偿控 制、热量平衡控制、浮压控制、多变量控制和能量优化控制等。本文介绍模型 预测控制技术在轻烃分馏装置上的应用及取得的成果。 全文共分六章，各部分内容安排如下： 第章为绪论，介绍了先进控制的发展、功能特点及应用现状。 第二章对先进控制的重要组成部分一预测控制基本原理及控制算法进行了 全面的阐述，并介绍了约束控制算法。 第三章介绍了轻烃分馏装置的工艺流程，对轻烃分馏装置控制现状进行了阐 述，提出了现存的问题并了进行分析，提出了实施先进控制的必要性并确定了实 施先控的目标。 第四章详细介绍了根据现有工艺条件和控制方式制定的控制方案，并对控制 策略进行了详细阐述。 第氍章介绍了系统的软硬件体系结构和工程实施，对先控实施的结果进行了 分析。 浙江犬学硕士论文 第六章为结束语，总结了全文内容并提出了本课题今后的研究应用方向。 浙江人学硕士论文 第二章多变量预测控制技术原理 2 1 引言 模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略，已在炼油、化工、冶金、 和电力等复杂工业过程中得到了广泛的应用田i 。其算法核心是：可预测过程未来 行为的动态模型，在线反复优化计算并滚动实施的控制作用和模型误差的反馈校 丁f 。模型预测控制具有控制效果好，鲁棒性强的优点，可有效地克服过程的不确 定性、非线性和关联性，并能方便地处理过程被控变量和操作变量中的各种约束。 从理论角度看，模型预测控制的思想可回溯到5 0 年代末k a l m a n 所提出的 一种通过预测回路未来行为来相应调整参数的调节器。这之后，p r o p o i 在1 9 6 3 年提出了滚动时域控制器，l e e 和m a r k u s 在1 9 6 7 年的最优控制文章中涉及到现 今的预测控制方法。而由于计算能力的限制，直到十余年后，预测控制作为种 新的控制策略才正式 扫过程控制界提出。因此，晟优控制与系统辨识是预测控制 的理论渊源和基础。1 9 8 0 年以后，出现了许多模型预测控制的工程化软件包。 工程实践和理论研究两方面的相互促进，通过在模型识别、优化算法、控制结构 分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等系列工作，终于使模型预测控制 成为一种比较成熟的控制思想，并成为目前过程控制领域应用晟成功、也最有前 途的先进控制测略。 在模型预测控制问世| 三l 来的十多年里，由于计算机技术的发展和口益复杂的 工业系统对先进控制的需求，使预测摔制的应用范围日益扩大，控制水平日益提 高。目前，预测控制已成为工业控制领域应用最多的一种先进控制策略。有资牟斗 显示，截止2 0 0 0 年，全球预测控制的工业应用领域遍及炼油、石化、化工、造 纸、天然气、矿冶、食品加工、炉窑、航空、汽车等行、i k 。其中，炼油企业采用 了以预测控制为核心的先进控制策略的已近2 5 0 0 套装置，石化企业5 0 0 套装置e 国外著名的控制1 ：程公司，如d m c 公司、a d e r s a 公司、s e t p o i r t t 公司、 a s p e n t e c h 公司和t r e i b e r c o n t r o l 公司等都开发了各自的商品化预测控制软件 包，在国内，浙江中控软件技术有限公司也开发了自己的高级鲁棒多变量预测控 制软件a p c a d c o n ，并已在多套装置上成功应用，取得了取得了良好的经济做 制软件a p c a d e o n ，并已在多套装置上成功应用，取得了取得了良好的经济敬 益。 浙江大学硕士论文 2 2 预测控制基本原理 一般而言，可将模型预测控制分为三大类。 第一类，基于非参数模型的预测控制算法。代表性的算法有模型算法控制 ( m a c ) 和动态矩阵控制( d m c ) 。这类算法分别采用有限脉冲响应模型和有 限阶跃响应模型作为过程预测模型，无需考虑模型结构和阶次，可将过程时滞自 然纳入模型中，尤其适合表示动态响应不规则的对象特征，适合处理开环稳定多 变量过程约束问题的控制。 第二类，基于a r m a 或c a r i m a 等输入输出参数化模型的预测控制算法。 这类算法由经典自适应控制发展而来，融合了自校正控制和预测控制的优点，其 反馈校正通过模型的在线辨识和控制律的在线修正以自校正的方式实现，其中最 具有代表性的是广义预测控制( g p c ) 算法。它可用于开环不稳定、非最小相位 和时变时滞等较难控制的对象，并对系统的时滞和阶次不确定有良好的鲁棒性。 但对于多变量系统，算法实施较困难。 第三类，称为“滚动时域控制”( r e c e d i n gh o r i g o nc o n t r o l ，r h c ) ，在理论界， 由著名的l q 或l q c 算法发展而来。对于状态空间模型，用有限时域二次性能 指标再加终端约束滚动时域控制方法来保证系统稳定性。它已拓展至跟踪控制和 输出反馈控制。 各类模型预测控制算法虽然在模型、控制和性能上存在许多差异，但其核心 都是基于滚动时域原理，算法中包含了模型预测、滚动优化和反馈校正三个基本 原理，即： 在当前时刻，基于过程的动态模型，对未来某时域内的过程输出序列作出 预测，