乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法，主要解决现有技术中脱氢生产过程单回路控制，系统控制非最优操作，控制系统稳定性难以保证的问题。本发明通过采用多变量预测函数控制，利用状态空间模型表示脱氢生产过程的预测模型，通过利用基函数概念构建过程控制输入，定义性能指标，搭建多变量预测函数控制算法：(1)建立基于基函数的过程控制输入：选择未来系统控制输入由基函数加权组成；(2)通过可观测变量建立状态空间模型；(3)建立未来系统期望性能指标；(4)未来预测输出的推导；(5)控制系统的稳定性保证及跟踪设定值零偏差的技术方案，较好地解决了该问题，可用于乙苯脱氢等多变量生产过程的操作控制。
【专利说明】乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多输入多输出乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法。
【背景技术】
[0002] 苯乙烯是化工过程中的重要原料，用以生产聚苯乙烯、丙稀腈一丁二烯一苯乙烯 三元共聚物、不饱和聚酯以及苯乙烯热塑性弹性体等，同时也是化工过程生产中的能耗和 物耗大户[?。在乙苯/苯乙烯生产过程中，装置的核心部分是乙苯脱氢系统，其运行状况 决定了苯乙烯的产量，也是苯乙烯装置发挥其最佳产量的瓶颈。如果乙苯脱氢系统运行稳 定，并且乙苯的转化率和苯乙烯的选择性好，苯乙烯生产的物耗和能耗就相对就低。乙苯催 化脱氢反应系统由1个加热炉，2个串联的绝热式径向反应器及若干个换热器组成，如图1 所示。原料乙苯先与小股蒸汽混合，经换热器及加热炉加热，进入两级反应器反应，生成苯 乙烯及副产品甲苯等。为节能降耗，反应中热交换很多，影响脱氢系统的变量较多且相互耦 合非常严重，其反应机理非常复杂。现有控制方法为经典常规PID单回路控制，每个控制回 路只关注自己回路的指标，控制系统难以综合考虑各因素之间的影响，且控制系统受外界 干扰波动较大，对企业平稳生产造成一定影响。随着我国苯乙烯工业生产规模的逐步扩大， 乙苯脱氢系统的先进控制成为一个研究热点。
[0003] 预测函数控制（PFC)是Richalet和Kuntze于20世纪80年代提出的第三代模型 预测控制算法，视控制输入的结构为关键，可以克服其它模型预测控制可能出现规律不明 的控制输入问题。由于乙苯脱氢生产中控制输入影响控制输出关系较复杂，所以利用PFC 来研究乙苯催化脱氢系统的预测控制非常必要，通过PFC中基函数的选择使得控制系统的 输入规律更加明确，控制性能更高。
[0004] 预测函数控制方法的优点在于既能适应于快速对象，又能适用于慢过程对象，在 实际工业中已有很多应用，而且预测函数控制对于过程模型没有过多的要求，只要能方便 再现过程的特征，则相关信息都可用来表示过程模型。鉴于在实际控制操作中，可以很方便 以测试方法获得过程模型，此外由于非自衡生产过程在外加脉冲信号后，其响应值将在未 来时间段为常数的特点，所以可以方便通过外加测试信号来获得过程模型。所以，借助研 究脉冲信号测试方法设计非自衡生产过程的预测函数控制算法具有现实意义。
[0005] Hou Z. S.教授在文献《The model-free learning adaptive control of a class of SIS0 nonlinear systems))(Proc. Of American Control Conf., New Mexico, 1997:343-344) 中，通过引入偏微分的概念，避免了非线性过程的建模问题，是一种较好的非线性过程的控制 方法，但是其没有给出具体的系统参数调节方法，更没有利用系统的未来预测信息。在实际中 由于预测控制算法能很好利用预测模型，反馈校正等概念等到了更好的工程应用，其中预测 函数控制方法由于其结构化的控制输入形式得到了更多人的关注。为此开发结合无须辨识模 型及实现简单的非线性预测模型方法非常必要。
[0006] 目前针对此类系统的控制主要是对常规PID调节器的校正应用，Majhi教授在文 献〈〈Modified smith predictor and controller for processes with time delay)) (IEE Proc. -Control Theory Appl. 1999, 140(5)，359-366)提出了针对此类系统的PID控制新方 法，后续又有其他类似的方法出现，但这类方法的缺点依然表现在针对非自衡系统需要借 助2个以上的调节器才能确保系统稳定，导致了控制方法中调节参数过多，而且这些调节 参数大多数基于所得的传递函数模型，局限性较大。此外，PID调节器属于被动调节策略，通 常是在外界发生干扰或者系统参数发生摄动后才调节控制输入，从而使得相应的控制系统 鲁棒性能不好，难以给出很好的控制效果，针对具体塔液位控制在外界干扰存在的情况下， 不能及时消除外界影响，导致塔液位波动，影响下游生产。
[0007] 因此，本发明借助预测函数控制来设计多输入多输出乙苯脱氢生产过程的先进控 制方法具有现实意义。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在乙苯脱氢生产过程单回路控制，系 统控制非最优操作，控制系统稳定性难以保证。该方法具有保证控制系统鲁棒稳定及跟踪 设定值无偏差，控制器参数调节方便的优点。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下，一种乙苯脱氢生产过程的预 测函数控制方法，根据乙苯脱氢生产过程，利用生产过程可测信号建立被控对象的状态空 间模型，通过构建基于基函数加权的预测函数控制操作变量输入，搭建适合生产的性能指 标，搭建多输入多输出乙苯脱氢生产过程的预测函数控制算法，包括以下步骤：
[0010] (1)建立基于基函数加权的预测函数控制操作变量输入：选择未来系统控制输入 由基函数加权组成；
【权利要求】
1. 一种乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法，根据乙苯脱氢生产过程，利用生产过 程可测信号建立被控对象的状态空间模型，通过构建基于基函数加权的预测函数控制操作 变量输入，搭建适合生产的性能指标，搭建多输入多输出乙苯脱氢生产过程的预测函数控 制算法，包括以下步骤： (1) 建立基于基函数加权的预测函数控制操作变量输入：选择未来系统控制输入由基 函数加权组成；《，卩+/i) = 和MA)只' /=1 (2) 通过可观测变量建立状态空间模型； (3) 建立未来系统期望性能指标； (4) 未来预测输出的推导； (5) 控制系统的稳定性保证及跟踪设定值零偏差； 其中~(/|卜|-W,s|(/l)?Has(/l)…η·(Λ)-(幻=丨外(幻…巧,(幻…& 的第i个控制量；h = 1，2,...，知为拟合点，其作用是使得这些点上的实际过程输出趋向 于参考轨迹；uiBj (h)是第k个采样周期第j个基函数的取值；nB是基函数个数；μ (k)是 权系数，通过优化计算得到。
2. 根据权利要求1所述的乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法，其特征在于，多输 入多输出乙苯脱氢生产过程特征如下： 乙苯催化脱氢系统中各变量之间关系非常复杂，难于基于机理建模，为此采用如下时 不变多变量不确定动态系统描述
(1) 其中X e Rnl为状态变量，u e Γ1为生产过程的输入，γ e Rpl为过程输出，D为外界扰 动向量，A e Rm，B e ΙΓ，分别为已知系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵； G(X(k)，U(k)，D(k))可认为是建模误差、外界干扰（包括进料干扰、外界压力温度影响）及 其它不确定因素； 为设计预测控制器，设定标称系统
(2) PFC是一类新型的预测控制算法，其特点在于将输入结构化，认为每一时刻的控制输 入U(k+h) = [ujk+h)... 4(1^+11)...1^0^+11) ]τ是若干事先选定的基函数uiBj的线性组合，即
(3) 式中：％(Λ) = …《?(/!)』，私(幻= (扑..，?(扑^ 系统的第i个控制量；h = 1，2,...，知为拟合点，其作用是使得这些点上的实际过程输出 趋向于参考轨迹；uiW(h)是第k个采样周期第j个基函数的取值；nB是基函数个数；μ u(k) 是权系数，可通过优化计算得到；PFC中基函数的选择依赖于设定值和对象本身的性质，通 常取为阶跃、斜坡、指数函数； 在PFC算法框架下，未来控制量可表示为 U (k+h) = uB (h) μ (k) (4) 其中
确定未来系统期望性能指标如下： 为达到最优生产目标，总是希望在时间点上使得期望的参考轨迹和过程未来输出的预 测误差平方和最小，其优化指标可表示为：
(5) 其中
是第J个过程输出对应的参考轨迹，其中 a T = exp (-Ts/H Ts是采样时间，是第J个过程输出的期望响应时间；WT是第J个 过程的期望输出；eT(k+HTi)为预测误差，在实际生产中直接反映系统生产状况的一个特征 就是过程实际输出与测量结果之间的误差，所以可取
(6)。
3.根据权利要求1所述的乙苯脱氢生产过程的预测函数控制方法，其特征在于推导未 来期望预测输出，得到控制输入，具体如下： (1) 当前k时刻控制输入u(k) = yjk) (2) 未来第氏步预测输出 由于PFC控制量[式（4)]式的结构，可得未来k+HTi时刻的系统第J个预测输出为
(7)其中ΥΒ#+Η^)可认为 是预先选择的基函数的对应过程基输出，且
(8) 利用数学变化可得：
其中
Yb(Hj) lk=
Hj = 表示预测长度；〇为预测步长个数； (3)令 ，得控制输入 得
(9) 其中 YK(k) = [1/(?) |k…Yre/Olj) |k…Yre/(Hp) |k]T Yref (Hj) I k = [Yrefl (k+Hj …YrefJ (k+Hji)…Yref。(k+HJO) ]T
E (k) = [eT (?) I k... eT (?) I k... eT (Hp) I k]T e(Hj) |k= [eJ(k+HJ1) --?eJ(k+HJi) --?eJ(k+HJo)]T 由式（9)知，由于^ l 和S可以离线计算得知； 将式（9)代入式（4)得当前时刻过程控制量为 U(k) = uB(0) μ (k) (10)
由式（10)知，加权系数μ (k)存在的条件是K可逆，因此在选取控制器参数时应保 证满足此条件。 其中 (11)
【文档编号】G05B13/00GK104111604SQ201310130325
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月16日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】张彬, 刘文杰, 张洪宇, 张忠群 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院