乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法，主要解決現有技術中脫氫生產過程單回路控制，系統控制非最優操作，控制系統穩定性難以保證的問題。本發明通過采用多變量預測函數控制，利用狀態空間模型表示脫氫生產過程的預測模型，通過利用基函數概念構建過程控制輸入，定義性能指標，搭建多變量預測函數控制算法：(1)建立基于基函數的過程控制輸入：選擇未來系統控制輸入由基函數加權組成；(2)通過可觀測變量建立狀態空間模型；(3)建立未來系統期望性能指標；(4)未來預測輸出的推導；(5)控制系統的穩定性保證及跟蹤設定值零偏差的技術方案，較好地解決了該問題，可用于乙苯脫氫等多變量生產過程的操作控制。
【專利說明】乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多輸入多輸出乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法。

【背景技術】
[0002] 苯乙烯是化工過程中的重要原料，用以生產聚苯乙烯、丙稀腈一丁二烯一苯乙烯 三元共聚物、不飽和聚酯以及苯乙烯熱塑性彈性體等，同時也是化工過程生產中的能耗和 物耗大戶[?。在乙苯/苯乙烯生產過程中，裝置的核心部分是乙苯脫氫系統，其運行狀況 決定了苯乙烯的產量，也是苯乙烯裝置發揮其最佳產量的瓶頸。如果乙苯脫氫系統運行穩 定，并且乙苯的轉化率和苯乙烯的選擇性好，苯乙烯生產的物耗和能耗就相對就低。乙苯催 化脫氫反應系統由1個加熱爐，2個串聯的絕熱式徑向反應器及若干個換熱器組成，如圖1 所示。原料乙苯先與小股蒸汽混合，經換熱器及加熱爐加熱，進入兩級反應器反應，生成苯 乙烯及副產品甲苯等。為節能降耗，反應中熱交換很多，影響脫氫系統的變量較多且相互耦 合非常嚴重，其反應機理非常復雜。現有控制方法為經典常規PID單回路控制，每個控制回 路只關注自己回路的指標，控制系統難以綜合考慮各因素之間的影響，且控制系統受外界 干擾波動較大，對企業平穩生產造成一定影響。隨著我國苯乙烯工業生產規模的逐步擴大， 乙苯脫氫系統的先進控制成為一個研究熱點。
[0003] 預測函數控制（PFC)是Richalet和Kuntze于20世紀80年代提出的第三代模型 預測控制算法，視控制輸入的結構為關鍵，可以克服其它模型預測控制可能出現規律不明 的控制輸入問題。由于乙苯脫氫生產中控制輸入影響控制輸出關系較復雜，所以利用PFC 來研究乙苯催化脫氫系統的預測控制非常必要，通過PFC中基函數的選擇使得控制系統的 輸入規律更加明確，控制性能更高。
[0004] 預測函數控制方法的優點在于既能適應于快速對象，又能適用于慢過程對象，在 實際工業中已有很多應用，而且預測函數控制對于過程模型沒有過多的要求，只要能方便 再現過程的特征，則相關信息都可用來表示過程模型。鑒于在實際控制操作中，可以很方便 以測試方法獲得過程模型，此外由于非自衡生產過程在外加脈沖信號后，其響應值將在未 來時間段為常數的特點，所以可以方便通過外加測試信號來獲得過程模型。所以，借助研 究脈沖信號測試方法設計非自衡生產過程的預測函數控制算法具有現實意義。
[0005] Hou Z. S.教授在文獻《The model-free learning adaptive control of a class of SIS0 nonlinear systems))(Proc. Of American Control Conf., New Mexico, 1997:343-344) 中，通過引入偏微分的概念，避免了非線性過程的建模問題，是一種較好的非線性過程的控制 方法，但是其沒有給出具體的系統參數調節方法，更沒有利用系統的未來預測信息。在實際中 由于預測控制算法能很好利用預測模型，反饋校正等概念等到了更好的工程應用，其中預測 函數控制方法由于其結構化的控制輸入形式得到了更多人的關注。為此開發結合無須辨識模 型及實現簡單的非線性預測模型方法非常必要。
[0006] 目前針對此類系統的控制主要是對常規PID調節器的校正應用，Majhi教授在文 獻〈〈Modified smith predictor and controller for processes with time delay)) (IEE Proc. -Control Theory Appl. 1999, 140(5)，359-366)提出了針對此類系統的PID控制新方 法，后續又有其他類似的方法出現，但這類方法的缺點依然表現在針對非自衡系統需要借 助2個以上的調節器才能確保系統穩定，導致了控制方法中調節參數過多，而且這些調節 參數大多數基于所得的傳遞函數模型，局限性較大。此外，PID調節器屬于被動調節策略，通 常是在外界發生干擾或者系統參數發生攝動后才調節控制輸入，從而使得相應的控制系統 魯棒性能不好，難以給出很好的控制效果，針對具體塔液位控制在外界干擾存在的情況下， 不能及時消除外界影響，導致塔液位波動，影響下游生產。
[0007] 因此，本發明借助預測函數控制來設計多輸入多輸出乙苯脫氫生產過程的先進控 制方法具有現實意義。


【發明內容】

[0008] 本發明所要解決的技術問題是現有技術中存在乙苯脫氫生產過程單回路控制，系 統控制非最優操作，控制系統穩定性難以保證。該方法具有保證控制系統魯棒穩定及跟蹤 設定值無偏差，控制器參數調節方便的優點。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下，一種乙苯脫氫生產過程的預 測函數控制方法，根據乙苯脫氫生產過程，利用生產過程可測信號建立被控對象的狀態空 間模型，通過構建基于基函數加權的預測函數控制操作變量輸入，搭建適合生產的性能指 標，搭建多輸入多輸出乙苯脫氫生產過程的預測函數控制算法，包括以下步驟：
[0010] (1)建立基于基函數加權的預測函數控制操作變量輸入：選擇未來系統控制輸入 由基函數加權組成；

【權利要求】
1. 一種乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法，根據乙苯脫氫生產過程，利用生產過 程可測信號建立被控對象的狀態空間模型，通過構建基于基函數加權的預測函數控制操作 變量輸入，搭建適合生產的性能指標，搭建多輸入多輸出乙苯脫氫生產過程的預測函數控 制算法，包括以下步驟： (1) 建立基于基函數加權的預測函數控制操作變量輸入：選擇未來系統控制輸入由基 函數加權組成；《，卩+/i) = 和MA)只' /=1 (2) 通過可觀測變量建立狀態空間模型； (3) 建立未來系統期望性能指標； (4) 未來預測輸出的推導； (5) 控制系統的穩定性保證及跟蹤設定值零偏差； 其中~(/|卜|-W,s|(/l)?Has(/l)…η·(Λ)-(幻=丨外(幻…巧,(幻…& 的第i個控制量；h = 1，2,...，知為擬合點，其作用是使得這些點上的實際過程輸出趨向 于參考軌跡；uiBj (h)是第k個采樣周期第j個基函數的取值；nB是基函數個數；μ (k)是 權系數，通過優化計算得到。
2. 根據權利要求1所述的乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法，其特征在于，多輸 入多輸出乙苯脫氫生產過程特征如下： 乙苯催化脫氫系統中各變量之間關系非常復雜，難于基于機理建模，為此采用如下時 不變多變量不確定動態系統描述
(1) 其中X e Rnl為狀態變量，u e Γ1為生產過程的輸入，γ e Rpl為過程輸出，D為外界擾 動向量，A e Rm，B e ΙΓ，分別為已知系統矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣； G(X(k)，U(k)，D(k))可認為是建模誤差、外界干擾（包括進料干擾、外界壓力溫度影響）及 其它不確定因素； 為設計預測控制器，設定標稱系統
(2) PFC是一類新型的預測控制算法，其特點在于將輸入結構化，認為每一時刻的控制輸 入U(k+h) = [ujk+h)... 4(1^+11)...1^0^+11) ]τ是若干事先選定的基函數uiBj的線性組合，即
(3) 式中：％(Λ) = …《?(/!)』，私(幻= (撲..，?(撲^ 系統的第i個控制量；h = 1，2,...，知為擬合點，其作用是使得這些點上的實際過程輸出 趨向于參考軌跡；uiW(h)是第k個采樣周期第j個基函數的取值；nB是基函數個數；μ u(k) 是權系數，可通過優化計算得到；PFC中基函數的選擇依賴于設定值和對象本身的性質，通 常取為階躍、斜坡、指數函數； 在PFC算法框架下，未來控制量可表示為 U (k+h) = uB (h) μ (k) (4) 其中
確定未來系統期望性能指標如下： 為達到最優生產目標，總是希望在時間點上使得期望的參考軌跡和過程未來輸出的預 測誤差平方和最小，其優化指標可表示為：
(5) 其中

是第J個過程輸出對應的參考軌跡，其中 a T = exp (-Ts/H Ts是采樣時間，是第J個過程輸出的期望響應時間；WT是第J個 過程的期望輸出；eT(k+HTi)為預測誤差，在實際生產中直接反映系統生產狀況的一個特征 就是過程實際輸出與測量結果之間的誤差，所以可取
(6)。
3.根據權利要求1所述的乙苯脫氫生產過程的預測函數控制方法，其特征在于推導未 來期望預測輸出，得到控制輸入，具體如下： (1) 當前k時刻控制輸入u(k) = yjk) (2) 未來第氏步預測輸出 由于PFC控制量[式（4)]式的結構，可得未來k+HTi時刻的系統第J個預測輸出為
(7)其中ΥΒ#+Η^)可認為 是預先選擇的基函數的對應過程基輸出，且
(8) 利用數學變化可得：
其中
Yb(Hj) lk=
Hj = 表示預測長度；〇為預測步長個數； (3)令 ，得控制輸入 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可以離線計算得知； 將式（9)代入式（4)得當前時刻過程控制量為 U(k) = uB(0) μ (k) (10)
由式（10)知，加權系數μ (k)存在的條件是K可逆，因此在選取控制器參數時應保 證滿足此條件。 其中 (11)
【文檔編號】G05B13/00GK104111604SQ201310130325
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月16日 優先權日:2013年4月16日
【發明者】張彬, 劉文杰, 張洪宇, 張忠群 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院