一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的fcc動(dòng)態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng) 態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 催化裂化（FCC)工藝過(guò)程一般由三個(gè)部分組成，即反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收 穩(wěn)定系統(tǒng)。催化裂化作為石油加工中最為關(guān)鍵的工藝過(guò)程，其控制系統(tǒng)性能評(píng)估問題具有 很高的研宄價(jià)值，但是FCC反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性、強(qiáng)耦合性、多目標(biāo)性為控制系統(tǒng)的分析、建 模、優(yōu)化帶來(lái)了較大的困難。
[0003] 為了保證催化裂化過(guò)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況能夠始終達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，流程 工業(yè)通常利用控制性能監(jiān)控和評(píng)估（CPM/A)技術(shù)對(duì)過(guò)程中可能發(fā)生的性能下降或故障實(shí) 行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷。
[0004] 控制性能評(píng)估的核心思想是定義一個(gè)性能評(píng)估基準(zhǔn)得到控制回路基準(zhǔn)性能，從而 判斷的當(dāng)前控制系統(tǒng)性能的控制水平，并估計(jì)控制性能提升的潛力。LQG基準(zhǔn)由于將控制器 的作用引入性能評(píng)估指標(biāo)，并且可以設(shè)置過(guò)程變量的約束，提高了控制器的可操作性，是一 種相對(duì)可靠客觀的評(píng)估基準(zhǔn)。
[0005] 在現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)踐中，生產(chǎn)過(guò)程的控制目標(biāo)種類越來(lái)越繁多，性能指標(biāo)也越來(lái)越高， 例如：安全平穩(wěn)、保質(zhì)保量、節(jié)能減排、柔性生產(chǎn)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)運(yùn)行周期等，這些控制 目標(biāo)重要性不同，而且存在復(fù)雜的內(nèi)在關(guān)系，因此，往往存在一定的沖突性。
[0006] 目前慣用的函數(shù)加權(quán)方法無(wú)法解決此類問題，也不能解決約束可行空間不存在的 問題，因此，需要提供一種生產(chǎn)過(guò)程控制方法，使生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，適用于動(dòng)力學(xué)特性 復(fù)雜，操作條件苛刻，各操作參數(shù)間具有很強(qiáng)耦合關(guān)系的催化裂化過(guò)程，保證生產(chǎn)過(guò)程的平 穩(wěn)順利進(jìn)行。
[0008] 一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，包括以下步驟：
[0009] (1)提取生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，并利用歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建MPC控制器的線性化模型，定 義生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入輸出變量組合，每個(gè)變量組合對(duì)應(yīng)一種優(yōu)先級(jí)，基于線性化模型以及輸 入輸出變量組合，計(jì)算得到每一優(yōu)先級(jí)的最優(yōu)控制性能。
[0010] 在生產(chǎn)過(guò)程中，利用溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、液位計(jì)、藏量變送器等設(shè)備 采集到的狀態(tài)參數(shù)信息（包括環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)）（參見文獻(xiàn)Khaki-SedighA,Moaveni B.Controlconfigurationselectionformultivariableplants[M]?Springer Science&BusinessMedia, 2009.)即為歷史數(shù)據(jù)，利用歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建MPC控制器的線性化 模型之前，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)噪聲進(jìn)行分箱平滑處理，過(guò)濾噪 聲，補(bǔ)充缺省值（參見文獻(xiàn)JiaweiHan,MichelinKamber.數(shù)據(jù)挖掘--概念與技術(shù)[D]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2005)。
[0011] 所述的線性化模型采用空間辨識(shí)法（參見文獻(xiàn)李幼鳳，蘇宏業(yè)，褚健等.工業(yè)過(guò) 程的子空間模型辨識(shí)[J].控制理論與應(yīng)用，2007, 24(5) :803-806.)得到的狀態(tài)空間模型， 所述線性化模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 提取生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，并利用歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建MPC控制器的線性化模型，定義生 產(chǎn)系統(tǒng)的輸入輸出變量組合，每個(gè)變量組合對(duì)應(yīng)一種優(yōu)先級(jí)，基于線性化模型以及輸入輸 出變量組合，計(jì)算得到每一優(yōu)先級(jí)的最優(yōu)控制性能； (2) 利用步驟（1)中的線性化模型在Matlab平臺(tái)上搭建對(duì)應(yīng)的MPC控制器； (3) 輸入控制器參數(shù)，利用步驟（2)搭建的MPC控制器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程 中提取生產(chǎn)過(guò)程的輸入變量和輸出變量，同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，計(jì)算得到每一優(yōu)先級(jí)的 系統(tǒng)控制性能； (4) 依據(jù)每一優(yōu)先級(jí)的最優(yōu)控制性能和系統(tǒng)控制性能，計(jì)算得到每一優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)性 能指標(biāo)； (5) 循環(huán)步驟（3)~（4)，直至每一優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)性能指標(biāo)與設(shè)定的期望值接近，得到優(yōu) 化的控制器參數(shù)； (6) 依據(jù)設(shè)定的故障種類，對(duì)應(yīng)地改變線性化模型的輸入以及模型參數(shù)，得到修改后的 線性化模型； (7) 基于步驟（5)得到的優(yōu)化的控制器參數(shù)，利用所述MPC控制器以及修改后的線性化 模型，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行故障仿真，故障仿真過(guò)程中提取生產(chǎn)過(guò)程的輸入變量和輸出變量，同 時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，計(jì)算得到每一優(yōu)先級(jí)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)控制性能； (8) 根據(jù)每一優(yōu)先級(jí)最優(yōu)控制性能和故障狀態(tài)下的系統(tǒng)控制性能，計(jì)算得到每一優(yōu)先 級(jí)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)性能指標(biāo)； (9) 改變故障種類，循環(huán)步驟（6)~（8)，得到多個(gè)故障狀態(tài)下的系統(tǒng)性能指標(biāo)，取故障 狀態(tài)下系統(tǒng)性能指標(biāo)的最大值作為警戒值； (10) 生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集狀態(tài)參數(shù)并計(jì)算對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)，若任一優(yōu)先級(jí)的系 統(tǒng)性能指標(biāo)不大于警戒值，則報(bào)警。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，所述線 性化模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： X = Ax+Bu+Mw y = Cx+Du+Nw 式中，u為輸入變量； y為輸出變量； w為干擾變量； X為狀態(tài)變量； 太表示對(duì)X求導(dǎo)； A、B、C、D、M、N為系統(tǒng)參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，每一優(yōu) 先級(jí)的最優(yōu)控制性能的計(jì)算方法如下： a、 給定線性化模型的系統(tǒng)參數(shù){A，B，C，D，M，N}，定義邊界約束集Iu1, uh，yi，yh}、松弛變 量ε以及通道選擇矩陣〇eR m+n，根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)確定置信區(qū)間!0，丨； b、 根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制要求，定義控制系統(tǒng)的輸入輸出變量組合Vi (i = 1，2,…，q)以 及相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，q為優(yōu)先級(jí)的個(gè)數(shù)，得到Vi中各變量的下標(biāo)集合u i，置i = I ; c、 通道選擇矩陣O中各元素
，取Cz= OC, D z= 0D，求解如下 LMI優(yōu)化命題，優(yōu)化組合Vi的最小方差Var (V J，記為Var (Vi) * ;
式中：Ksfb，P，G為決策變量； Φ為目標(biāo)函數(shù)； I為單位矩陣； Var (Vj) = Φ (j, j), j e υ i； d、 若i〈q，則i = i+1，更新通道選擇矩陣中各元素
以及 Cz= 0C，Dz= OD ; e、 求解如下LMI優(yōu)化命題，優(yōu)化Var(Vi)使得Var(Vp)彡Var(Vp)*+ ε P(p = 1，2,… ，i-1);若此命題無(wú)解，則進(jìn)入步驟g ;
Var (Vp) ^ Var (Vp) *+ ε ρ ε ρ為設(shè)定值； f、 利用下式計(jì)算概率約束邊界[ulg uhg], [ylg yhg]，
式中：為高斯函數(shù)的逆函數(shù)； 若穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算可行，則[ulg uhg]，[ylg yhg]即為可行空間，Ksfb為相應(yīng)的狀態(tài)反 饋增益，并進(jìn)入步驟h ; 若穩(wěn)態(tài)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算不可行，進(jìn)入步驟g ; g、 按照優(yōu)先級(jí)由低到高的順序，依次調(diào)整置信度，每次調(diào)整后均返回步驟d ; h、 求解如下LMI優(yōu)化命題，得到每一優(yōu)先級(jí)LQG協(xié)調(diào)控制最優(yōu)控制性能UP相應(yīng)的 過(guò)程變量最小方差組合Var (Vi)，（i = 1，2,…，q)
式中：Acl= A+BK sfb，Cz，cl= C z+DzKsfb; i、 計(jì)算每一優(yōu)先級(jí)的最優(yōu)控制性能，計(jì)算公式如下：
式中，i為優(yōu)先級(jí)的等級(jí)。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，每一優(yōu) 先級(jí)的系統(tǒng)控制性能的計(jì)算方法如下：
式中：i表示優(yōu)先級(jí)的等級(jí)； rij表示優(yōu)先級(jí)為j的變量組合中變量的個(gè)數(shù)； V (k)表示優(yōu)先級(jí)為j的變量組合中第k個(gè)變量； vsp(k)表示與V (k)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值； E表示期望值。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，對(duì)于每 一優(yōu)先級(jí)，定義系統(tǒng)控制性能指標(biāo)計(jì)算公式如下：
式中Ai為優(yōu)先級(jí)為i的系統(tǒng)控制性能指標(biāo)； 為優(yōu)先級(jí)為i的系統(tǒng)控制性能； 為優(yōu)先級(jí)為i的最優(yōu)控制性能。 mlqg
6.如權(quán)利要求5所述的基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于，所述的 控制器參數(shù)包括優(yōu)化時(shí)域、控制時(shí)域、權(quán)重矩陣以及輸出變量設(shè)定值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于控制變量?jī)?yōu)先級(jí)的FCC動(dòng)態(tài)控制方法，包括以下步驟：(1)提取歷史數(shù)據(jù)，并構(gòu)建線性化模型，得到最優(yōu)控制性能；(2)搭建MPC控制器；(3)輸入控制器參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)控制性能；(4)計(jì)算系統(tǒng)性能指標(biāo)；(5)循環(huán)步驟(3)～(4)，得到優(yōu)化的控制器參數(shù)；(6)依據(jù)故障種類，得到修改后的線性化模型；(7)計(jì)算故障狀態(tài)下的系統(tǒng)控制性能；(8)計(jì)算故障狀態(tài)下的系統(tǒng)性能指標(biāo)；(9)改變故障種類，循環(huán)步驟(6)～(8)，取故障狀態(tài)下系統(tǒng)性能指標(biāo)的最大值作為警戒值；(10)生產(chǎn)時(shí)，若系統(tǒng)性能指標(biāo)不大于警戒值，則報(bào)警。本發(fā)明保證生產(chǎn)過(guò)程始終維持在最優(yōu)工作點(diǎn)附近，保證生產(chǎn)安全。
【IPC分類】G05B19-418
【公開號(hào)】CN104765339
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510070399
【發(fā)明人】馮毅萍, 周培杰, 榮岡
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年2月10日