先進(jìn)控制在催化裂化裝置上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)先進(jìn)控制在催化裂化裝置上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要催化裂化裝置是煉油和石油化工生產(chǎn)過程的關(guān)鍵裝置，在煉油生產(chǎn)鏈中起重要作用，其運(yùn)行狀況影響全廠的生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)于研究如何提高裝置的平穩(wěn)性運(yùn)行、節(jié)能降耗并最終實(shí)現(xiàn)提高裝置經(jīng)濟(jì)效益意義重大。本文針對(duì)某石化公司重油催化裂化裝置現(xiàn)有DCS及設(shè)備的實(shí)際情況創(chuàng)新的采用將國(guó)內(nèi)外先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了一套先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)。先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)由軟測(cè)量系統(tǒng)與在線校正部分、反應(yīng)再生先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)、主分餾

2、先進(jìn)控制系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制系統(tǒng)構(gòu)成。采用北京利華益科技有限公司開發(fā)的PACROS軟件主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、軟測(cè)量計(jì)算、以及實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，先進(jìn)控制器部分應(yīng)用Honeywell公司RMPCT魯棒多變量預(yù)估控制器。投用效果表明自先進(jìn)控制上線投用以來，實(shí)現(xiàn)了催化裂化裝置的平穩(wěn)控制，減輕了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品質(zhì)量并最終實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目總目標(biāo)。關(guān)鍵詞：催化裂化 先進(jìn)過程控制技術(shù) 集散控制系統(tǒng) 軟測(cè)量THE RESERCH AND PRACTICE OF APC IN FCCUABSTRACTThe fluid catalytic cracking unit (FCCU) is th

3、e key device of oil refining and petrochemical production process and it plays an important role in the oil refining production chain. Its operation conditions affect the whole production and economic benefit. Therefore, it has a significant meaning on how to improve smoothness,save energy, reduce c

4、onsumption and improve economic benefit of FCCU .In this paper an APC (Advanced Process Control)system is developed ,it creatively adopts designing scheme by combing domestic as well as foreign advanced control and the optimal technology realization according to the existing DCS and real conditions

5、of device.APC&RTOS (Real-time optimization system)is composed of four partswhich are soft-sensor system&correlation system， Reaction-Regeneration APC&RTOSMain-Fraction APC and Absorber&Stabilization APCPACROS softwares mainly aims at realizing data acquisition, soft measurement calculation, and real

6、-time optimization, which are produced by Beijing Lihuayi Sci-Tech co., LTD.RMPCT multivariable predictive controller of Honeywell company is used as advanced controller part.Since the online operation of advanced control stable control of FCCU are realized, the operator labor intensity is reduced,

7、the quality of product is improved,as well as the total goal increasing economic benefit of the project are realized according to the analysis of the revamping effect in FCCU.The result shows that since the advanced control line has been put into use, stable control of catalytic cracking unit is rea

8、lized. The operators labor intensity is reduced, and the quality of the products is improved. At last, the project objectives to improve the economic benefits is successfully realized.KEY WORDS: FCCU APC DCS 目 錄TOC o 1-3 h u 899第一章 緒 論1.1 課題背景及研究意義在石化企業(yè)的重要裝置上實(shí)施生產(chǎn)和控制優(yōu)化1，以及大型聯(lián)合裝置上實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化，是提高裝置控制水平，挖潛增效

9、的重要手段，也是國(guó)際上優(yōu)化技術(shù)、自控技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的趨勢(shì)。在此裝置上實(shí)施生產(chǎn)優(yōu)化和控制優(yōu)化能有效的改善裝置的控制水平和操作水平，有利于保證裝置的運(yùn)行安全，并提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。催化裂化是石油二次加工的主要方法之一2，它以常減壓餾分油、焦化柴油和蠟油等重質(zhì)餾分油或渣油為原料，在熱和的作用下使發(fā)生裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹?、汽油、和焦炭的過程。世界上第一套催化裂化工業(yè)裝置于1942年問世3，催化裂化裝置生產(chǎn)過程的工藝機(jī)理復(fù)雜, 操作條件苛刻, 工藝參數(shù)強(qiáng)烈耦合, 各單元操作是否協(xié)調(diào)和平穩(wěn), 直接影響產(chǎn)品的收率、質(zhì)量、能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)周期, 甚至危及安全。因此，改進(jìn)其操作控制，使其運(yùn)行平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量卡

10、邊，提高輕汽油產(chǎn)率或?qū)崿F(xiàn)油品產(chǎn)率最佳分配，并在基礎(chǔ)上節(jié)能降耗，是催化裂化裝置急需解決的問題；尤其在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，處理量、產(chǎn)品的需求量和質(zhì)量指標(biāo)經(jīng)常需隨市場(chǎng)而變化，一個(gè)響應(yīng)迅速、適應(yīng)變化的先進(jìn)控制級(jí)優(yōu)化系統(tǒng)更為需要。80年代以來，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測(cè)控制的工程化軟件包，通過模型識(shí)別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定、系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性等一系列研究工作，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)在石油化工過程得到的越來越廣泛的應(yīng)用，是石油化工工程從PID控制發(fā)展到先進(jìn)控制的標(biāo)志。1980年前后，來自過程控制界的兩位開拓者4-7，法國(guó)的Richalet和美國(guó)的Cutler分別報(bào)道了各自有關(guān)解決有約束多變量系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制問題

11、的研究成果和工業(yè)應(yīng)用情況，即著名的模型預(yù)測(cè)啟發(fā)式控制（MPHC）和動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC），這表明現(xiàn)代流程工業(yè)開始接受先進(jìn)控制的概念。在近年來的一些工程實(shí)際應(yīng)用如在催化裂化裝置應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)中，除了構(gòu)建模型預(yù)測(cè)控制器外，還根據(jù)裝置控制要求和目標(biāo)，建立了在線實(shí)時(shí)優(yōu)化器，使預(yù)測(cè)控制器能夠根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)來調(diào)整預(yù)測(cè)值，起到提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率、增加經(jīng)濟(jì)效益的作用。 目前國(guó)外的石化公司大都已經(jīng)在DCS常規(guī)控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)控制。要想在國(guó)際激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中不至于落后，先進(jìn)控制將是過程控制技術(shù)發(fā)展的必然方向。我國(guó)催化裂化工藝技術(shù)發(fā)展迅速，加工能力已占世界總能力的14.56 %，可以說是世界上催化裂

12、化能力增長(zhǎng)最迅速的國(guó)家。我國(guó)的催化裂化工藝技術(shù)，在20世紀(jì)80年代獲得突破90年代得到高速發(fā)展，目前正處于提高階段，雖然國(guó)內(nèi)近年的先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目也在不斷的投入，但是由于各種各樣的原因大都不能長(zhǎng)周期的在線運(yùn)行。因此本項(xiàng)目120萬(wàn)噸/年催化裂化裝置先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目的設(shè)立和實(shí)施是在既有動(dòng)力又有很大壓力下進(jìn)行的，項(xiàng)目主要目標(biāo)是開發(fā)一套針對(duì)性的催化裂化裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)，達(dá)到提高裝置運(yùn)行平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量及其他不可測(cè)變量的實(shí)時(shí)在線計(jì)算，達(dá)到指導(dǎo)操作和閉環(huán)控制要求，更好的適應(yīng)原料性質(zhì)和產(chǎn)品方案隨市場(chǎng)需求的變化，提高高價(jià)值產(chǎn)品收率，在滿足過程約束的條件下，使處理量達(dá)到調(diào)度要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，最終

13、獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。1.2催化裂化的工藝流程 催化裂化裝置一般由反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)等三部分組成8,9，它是一個(gè)非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合、大干擾分布參數(shù)和大時(shí)滯的復(fù)雜系統(tǒng)，相對(duì)于其他的煉油裝置，其工藝原理比較復(fù)雜、作用比較重要。1.2.1反應(yīng)再生系統(tǒng) 圖1-1反應(yīng)再生系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig 1-1 Flow diagram of reaction regeneration system 反應(yīng)再生系統(tǒng)的工藝流程如圖1-1所示，反應(yīng)再生系統(tǒng)用于工藝分析的不可測(cè)關(guān)鍵參數(shù)較多，它主要由反應(yīng)沉降器和催化劑活性再生組成。在反應(yīng)部分，由于活性較高的高溫再生催化劑的催化作用，催化劑活性降低，因此

14、催化劑必須進(jìn)入催化劑活性再生部分使之活性再生。 催化裝置的原料由常壓重油、減壓渣油和焦化蠟油組成，新鮮原料油經(jīng)過換熱后與回?zé)捰突旌?，?jīng)加熱爐加熱至300400后進(jìn)入提升管反應(yīng)器下部的噴嘴，用蒸汽霧化后進(jìn)入提升管下部，與來自再生器的高溫催化劑（600750）接觸，隨即氣化并進(jìn)行反應(yīng)。油氣在提升管內(nèi)的停留時(shí)間很短，一般24秒。反應(yīng)后的油氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器后進(jìn)入集氣室，通過沉降器頂部出口進(jìn)入分餾系統(tǒng)。 積有焦炭的再生催化劑（待生催化劑）由沉降器進(jìn)入下面的汽提段，用過熱水蒸汽進(jìn)行汽提，以脫除吸附在待生催化劑表面的少量油氣，然后經(jīng)過待生斜管、待生單動(dòng)滑閥進(jìn)入再生器，與來自再生器底部的空氣接觸反應(yīng)，恢復(fù)催化

15、劑的活性，同時(shí)放出大量的熱量。1.2.2 分餾系統(tǒng) 圖1-2分餾系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig 1-2 Flow diagram of fractionation system process 分餾部分的流程如圖1-2所示，該部分的作用是將反應(yīng)再生系統(tǒng)的產(chǎn)物進(jìn)行初步分離，得到部分產(chǎn)品和半成品。自反應(yīng)再生系統(tǒng)來的高溫油氣進(jìn)入催化分餾塔下部，經(jīng)人字擋板的脫過熱段脫過熱后進(jìn)入分餾段，與循環(huán)油漿（上返塔）逆流接觸，油氣自下而上被冷卻洗滌，油漿中的重組部分和催化劑粉塵隨油漿進(jìn)入塔底，經(jīng)分餾后得到富氣、粗汽油、輕柴油、重柴油、回?zé)捰秃陀蜐{，富氣和粗汽油去吸收穩(wěn)定系統(tǒng)；輕、重柴油經(jīng)提、換熱或冷卻后出裝置；回?zé)捰头?/p>

16、回反應(yīng)再生系統(tǒng)進(jìn)行回?zé)?；油漿的一部分送反應(yīng)再生系統(tǒng)回?zé)挘硪徊糠纸?jīng)換熱后循環(huán)回分餾塔。將輕柴油的一部分經(jīng)冷卻后送至再吸收塔作為吸收劑，吸收了C3、C4組分的輕柴油再返回分餾塔。為了取走分餾塔的過剩熱量以使塔內(nèi)氣、液負(fù)荷分布均勻，確保塔內(nèi)有足夠內(nèi)回流，在塔的不同位置分別設(shè)有4個(gè)循環(huán)回流：頂循環(huán)回流、一中段回流、二中段回流和油漿循環(huán)回流。1.2.3 吸收穩(wěn)定系統(tǒng) 圖1-3吸收穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig 1-3 Flow diagram of absorption stabilization system process 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)如圖1-3所示，該部分包括吸收塔、解吸塔、再吸收塔、穩(wěn)定塔和再吸

17、收塔組成，由分餾系統(tǒng)油氣分離器出來的富氣經(jīng)氣體壓縮機(jī)升壓后，冷卻并分出凝縮油，壓縮富氣進(jìn)入吸收塔底部，粗汽油和穩(wěn)定汽油作為吸收劑由塔頂進(jìn)入，吸收了C3、C4的富吸收油由塔底抽出送至解吸塔頂部。吸收塔設(shè)有一個(gè)中段回流以維持塔內(nèi)較低的溫度。吸收塔頂出來的貧氣中尚夾帶少量汽油，經(jīng)再吸收塔用輕柴油回收其中的汽油組分后成為干氣送燃料氣管網(wǎng)，吸收了汽油的輕柴油由再吸收塔底抽出返回分餾塔。解吸塔的作用是通過加熱將富吸收油中飽組分解吸出來，由塔頂引出進(jìn)入中間平衡罐，塔底為脫乙烷汽油被送至穩(wěn)定塔。穩(wěn)定塔的目的是將汽油中C4以下的輕烴脫除，在塔頂?shù)玫揭夯瘹猓椎玫胶细竦钠?即穩(wěn)定汽油)。1.3 催化裂化存在的

18、問題目前世界原油的重質(zhì)化趨勢(shì)正在明顯加大，在原油質(zhì)量變重、變差的同時(shí)，對(duì)輕質(zhì)產(chǎn)品的需求卻日益增多，在我國(guó)更是如此。國(guó)內(nèi)目前的石油資源中，大于500的餾分在原油中占 40%50%，而且還有繼續(xù)變重的趨勢(shì)10，催化裂化在國(guó)內(nèi)具體應(yīng)用過程中，效果不很理想，經(jīng)國(guó)內(nèi)行業(yè)專家分析，影響其應(yīng)用效果的主要原因在于： (1)實(shí)施過程缺乏具體生產(chǎn)過程的針對(duì)性：國(guó)外軟件作為一個(gè)通用工具，可以應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程，但缺乏針對(duì)性的實(shí)施，無(wú)法取得良好的效果。 (2)測(cè)試模型難以準(zhǔn)確：目前國(guó)外軟件主要采用階躍測(cè)試的方法獲取模型，然而實(shí)際過程由于各種未知干擾的存在，僅通過測(cè)試與辨識(shí)難以獲得滿意的模型。對(duì)工藝機(jī)理的認(rèn)識(shí)和深入的機(jī)

19、理分析是建立滿意動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)。 (3)缺少實(shí)時(shí)優(yōu)化：目前，大多數(shù)技術(shù)用穩(wěn)態(tài)模型給出優(yōu)化操作條件，由先進(jìn)控制系統(tǒng)執(zhí)行，然而實(shí)際上裝置始終處于動(dòng)態(tài)，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法對(duì)裝置的平穩(wěn)性要求高，優(yōu)化周期長(zhǎng)，難以真正取得效益。 針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)控制專家提出通過工藝機(jī)理與模型測(cè)試相結(jié)合，來獲得更合理、更準(zhǔn)確的生產(chǎn)裝置動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型方法，并通過采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化技術(shù)，很好的適應(yīng)了我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)過程，取得良好的應(yīng)用效果。目前這種方式已經(jīng)形成產(chǎn)品成為石化裝置先進(jìn)控制和優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)施的一種模式，得到廣泛的推廣，并體現(xiàn)出較好的市場(chǎng)前景。1.4 使用APC技術(shù)提高催化裂化經(jīng)濟(jì)效益 在石油化工等流程過程工業(yè)中, 先進(jìn)控制(A

20、PC) 和在線優(yōu)化( OPT ) 技術(shù)是在DCS 集散系統(tǒng)完成常規(guī)控制功能之上, 為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、消除瓶頸而采用的自動(dòng)化技術(shù)，縱觀近年國(guó)內(nèi)外催化裂化裝置的發(fā)展，增加效益的途徑主要有兩種： (1)在催化裂化裝置上進(jìn)行了工藝新技術(shù)的改造6-14。如采用適合于渣油的催化裂化新技術(shù)，多產(chǎn)柴油新技術(shù)，催化裂化提高汽油辛烷值技術(shù)等。為了滿足環(huán)保法規(guī)的要求，采用汽油降烯烴技術(shù)、汽油脫硫技術(shù)和生產(chǎn)清潔燃料的催化裂化技術(shù)。一些企業(yè)采用改進(jìn)操作條件如進(jìn)行催化裂化裝置回收系統(tǒng)的改進(jìn)，優(yōu)化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的操作， 實(shí)行高溫短接觸催化裂化，進(jìn)行提升管反應(yīng)器的優(yōu)化等。還有一些企業(yè)采用新型催化劑，如渣油催化裂化催化劑，多產(chǎn)

21、柴油催化裂化催化劑，多產(chǎn)低碳烯烴催化裂化催化劑，降低汽油中的硫含量的催化劑等。 (2)采用先進(jìn)控制技術(shù)提高裝置的效益。通過對(duì)裝置實(shí)施先進(jìn)控制能夠提高裝置生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性、安全性，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高目標(biāo)產(chǎn)品收率，對(duì)FCCU來時(shí)，更重要是提高輕質(zhì)油的收率，并能節(jié)能降耗。目前全世界已有數(shù)千套先進(jìn)控制系統(tǒng)，先進(jìn)控制的效益已被公認(rèn)，一般的投資回報(bào)率為1.40-2.00美元/噸。 目前現(xiàn)有的催化裂化實(shí)施優(yōu)化技術(shù) 多采用催化裂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)集總模型進(jìn)行在線或離線仿真的方案進(jìn)行優(yōu)化，但此技術(shù)需要昂貴的在線分析儀表（NMR）提供原料油性質(zhì)分析數(shù)據(jù)，從而使項(xiàng)目投資大幅提高，而且還存在難以適應(yīng)過程動(dòng)態(tài)變化、

22、工程及維護(hù)難度大等問題而另外一條技術(shù)路線就是基于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的反應(yīng)深度實(shí)施優(yōu)化，這種技術(shù)方案從催化裂化的反應(yīng)機(jī)理模型出發(fā)，采用獨(dú)特的宏觀反應(yīng)熱評(píng)價(jià)反應(yīng)深度的方法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)深度的閉環(huán)控制，并且采用分餾塔機(jī)理模型反算催化裂化反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率，不需要在線儀表分析而自動(dòng)適應(yīng)原料性質(zhì)的變化，在線實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)品收率優(yōu)化目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)深度的實(shí)時(shí)優(yōu)化。此方案具有投資少見效大，工程實(shí)施簡(jiǎn)便維護(hù)量小等特點(diǎn)。已報(bào)道在線應(yīng)用技術(shù)：基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；需要昂貴的在線分析儀表；調(diào)優(yōu)手段：反應(yīng)溫度控制，不能維持反應(yīng)深度為最優(yōu)值；調(diào)優(yōu)周期：一般120分鐘以上；需原料、催化劑活性化驗(yàn)數(shù)據(jù)；要求測(cè)量絕對(duì)準(zhǔn)確；需等待穩(wěn)定后才能計(jì)算；對(duì)

23、模型精度要求很高。擬采用技術(shù)與軟件：基于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，智能自尋優(yōu)；調(diào)優(yōu)手段：反應(yīng)深度在線計(jì)算與控制以反應(yīng)熱衡量反應(yīng)深度，在線實(shí)時(shí)計(jì)算反應(yīng)熱，以反應(yīng)熱為主要被控變量，使反應(yīng)深度維持在優(yōu)化值上；全裝置多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化，滿足調(diào)度設(shè)定的優(yōu)先級(jí)，使優(yōu)化目標(biāo)最大，考慮反再，主分餾塔、吸收穩(wěn)定、氣壓機(jī)、主風(fēng)機(jī)約束；調(diào)優(yōu)周期:10分鐘；不需原料、催化劑活性化驗(yàn)數(shù)據(jù)；不要求測(cè)量絕對(duì)準(zhǔn)確；可在動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)下運(yùn)行；可隨時(shí)在線調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)；可隨時(shí)協(xié)調(diào)處理量、摻渣比或各原料流量達(dá)到調(diào)度要求和反應(yīng)深度優(yōu)化。先進(jìn)控制技術(shù) 2.1 先進(jìn)控制技術(shù)概述先進(jìn)控制（APC）即先進(jìn)過程控制，是與流程工業(yè)普遍采用的常規(guī)控制相對(duì)應(yīng)的。常規(guī)P

24、ID控制由于其簡(jiǎn)單實(shí)用、魯棒性強(qiáng)，不需要開發(fā)過程的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，從早期的氣動(dòng)調(diào)節(jié)器、電動(dòng)單元儀表、智能單回路調(diào)節(jié)器再到如今廣泛采用的DCS集散控制系統(tǒng)，得到了不斷的發(fā)展和應(yīng)用。但隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也在不斷提高，對(duì)于大時(shí)間滯后、多變量耦合的復(fù)雜控制對(duì)象以及質(zhì)量平穩(wěn)卡邊等的控制要求和實(shí)際需要，以現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，70年代產(chǎn)生了以模型預(yù)估控制（MPC）為代表的先進(jìn)控制技術(shù)。模型預(yù)估控制的核心算法主要有用脈沖響應(yīng)的模型算法控制（MAC）、用階躍響應(yīng)模型的動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）、用時(shí)間序列模型的GPC等17-21，雖然算法不同，但模型預(yù)估控制的基本原理是相同的，

25、都是由模型預(yù)估利用模型對(duì)未來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估、誤差反饋將模型誤差進(jìn)行反饋以提高控制器的魯棒性，滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)時(shí)按照優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算當(dāng)前最優(yōu)控制作用等三部分組成。 隨著理論研究和技術(shù)開發(fā)的不斷深入和發(fā)展，先進(jìn)控制技術(shù)也不斷的成熟和完善，目前，國(guó)外已經(jīng)形成許多以預(yù)測(cè)控制為核心思想的先進(jìn)控制商品化軟件包，主要有：美國(guó)DMC公司的DMC, Setpoint公司的IDCOM-M、SMCA, Honeywell 公司的RMPCT, Aspen公司的DMCPLUS，法國(guó)Adersa公司的PFC等。 目前業(yè)界普遍采用的是以階躍測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)的輸入輸出模型為基礎(chǔ)的控制算法（MAC、DMC、GPC等），此種技術(shù)的特點(diǎn)是需

26、要對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)試，再根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)出描述過程輸入輸出信息的黑箱模型。建立黑箱模型不需要對(duì)具體生產(chǎn)過程的物理化學(xué)機(jī)理有較深入的了解，因此對(duì)先進(jìn)控制工程實(shí)施人員的要求相對(duì)較低，便于工程化和技術(shù)推廣，但黑箱模型比較簡(jiǎn)單，只描述過程的輸入輸出信息，一般只適用于穩(wěn)定對(duì)象，并且基于數(shù)據(jù)辨識(shí)的數(shù)學(xué)模型適應(yīng)生產(chǎn)變化的能力相對(duì)較弱，由于經(jīng)常的裝置改造或生產(chǎn)方案的變化而使投用率下降。石油大學(xué)袁璞教授多年致力于模型預(yù)估控制算法的研究和實(shí)際工程應(yīng)用。通過對(duì)模型描述和預(yù)估控制算法的輸入研究，揭示了模型預(yù)估控制算法的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性，以及多值預(yù)估控制算法和單值預(yù)估控制算法在模型準(zhǔn)確時(shí)的統(tǒng)一性，從而提出了適用于各種數(shù)學(xué)

27、模型描述的通用預(yù)估算法（UPCUnified Predictive Control）,并以此開發(fā)了適用于工程實(shí)際應(yīng)用的變結(jié)構(gòu)多變量通用模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制器（VSUPCC）。為了更好的適應(yīng)生產(chǎn)變化、克服測(cè)試模型技術(shù)存在的不足，VSUPCC采用以機(jī)理分析為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間模型。通過機(jī)理分析所得的動(dòng)態(tài)模型更能反應(yīng)生產(chǎn)過程的物理化學(xué)原理，容易外推、適應(yīng)生產(chǎn)變化能力強(qiáng)。采用狀態(tài)空間模型的好處是除了能描述生產(chǎn)過程的輸入輸出信息外，還能描述過程的中間狀態(tài)變量，從而可以盡可能的利用可測(cè)狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性和抗（可測(cè)、不可測(cè)）干擾能力。2.2軟測(cè)量技術(shù)催化裂化過程中存在很多的關(guān)鍵變量22 ,

28、23，生產(chǎn)過程中一些被控變量（特別是質(zhì)量參數(shù)）無(wú)法在線測(cè)量，例如分餾塔產(chǎn)品成分、反應(yīng)器中反應(yīng)物濃度、塔板效率、轉(zhuǎn)化率、干點(diǎn)、閃點(diǎn)、催化劑活性等，而在線分析儀價(jià)格昂貴，不易維護(hù)，而且分析一般均存在滯后，那么在以這些參數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行控制時(shí)就無(wú)法構(gòu)成實(shí)時(shí)反饋回路，而不能保證對(duì)其很好的控制，因此軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。軟測(cè)量技術(shù)也稱為軟儀表技術(shù)，就是利用易測(cè)過程變量（稱為輔助變量或二次變量），依據(jù)這些易測(cè)過程變量與難以直接測(cè)量的待測(cè)過程變量（稱為主導(dǎo)變量）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（軟測(cè)量模型），通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)過程變量的測(cè)量 軟測(cè)量的意義：能夠測(cè)量目前由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)的原因無(wú)法或難以用傳

29、感器直接檢測(cè)的重要的過程參數(shù)；有助于提高控制性能。軟測(cè)量的工程設(shè)計(jì)一般步驟：針對(duì)軟測(cè)量對(duì)象進(jìn)行機(jī)理分析，選擇輔助變量了解和熟悉軟測(cè)量對(duì)象以及裝置的工藝流程，明確軟測(cè)量任務(wù)；數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理用統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)剔除有顯著誤差的數(shù)據(jù)后，再用平均濾波的方法來去除隨機(jī)誤差；建立軟測(cè)量模型，軟測(cè)量建模的方法多種多樣，且目前主要軟測(cè)量建模的方法:機(jī)理建模、回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、基于支持向量機(jī)(SVM)方法、過程層析成像、相關(guān)分析和現(xiàn)代優(yōu)化算法等多種建模方法，目前主要軟測(cè)量建模的方法:機(jī)理建模、回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、基于支持向量機(jī)(SVM)方法、過程

30、層析成像、相關(guān)分析和現(xiàn)代優(yōu)化算法等多種建模方法；設(shè)計(jì)模型校正模塊包括短期或者長(zhǎng)期校正方法；在實(shí)際工業(yè)裝置上實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量將離線采集的軟測(cè)量模型和數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊，模型校正模塊以軟件的形式嵌入到裝置的DCS上。在軟測(cè)量運(yùn)行期間，采集軟測(cè)量對(duì)象的實(shí)測(cè)值和模型估計(jì)值，根據(jù)比較結(jié)果評(píng)價(jià)該軟測(cè)量模型是否滿足工藝要求，如果不滿足，要利用過程數(shù)據(jù)分析原因，判斷是模型選擇不當(dāng)，參數(shù)選擇不當(dāng)還是該時(shí)間段內(nèi)的工況遠(yuǎn)離模型的預(yù)測(cè)范圍。2.3 模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)2.3.1 動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)算法 預(yù)測(cè)控制的基本出發(fā)點(diǎn)與傳統(tǒng)的PID控制不同，傳統(tǒng)的PID控制根據(jù)當(dāng)前和過去的輸出測(cè)量值和設(shè)定值的偏差來確定當(dāng)前的控制輸入

31、。預(yù)測(cè)控制不但利用當(dāng)前和過去的偏差值，而且還利用預(yù)測(cè)模型來預(yù)估過程未來的偏差值，以滾動(dòng)優(yōu)化確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略，各類模型預(yù)測(cè)控制算法雖然在模型、控制和性能上存在諸多差異，但其核心都是基于滾動(dòng)時(shí)域原理，算法中都包含了預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)基本原理。在眾多模型預(yù)測(cè)控制算法中24-32，動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)可以稱作其中的典型代表。2.3.1預(yù)測(cè)模型 在預(yù)測(cè)控制中需要一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型，稱為預(yù)測(cè)模型，它的功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息 u(k - j), y(k -j) | j1 和未來輸入 u(k + j-1) | j =1, , M預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來響應(yīng) y(k + j|j =1

32、, , P。在DMC中使用的是漸近穩(wěn)定線性被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)，如圖2-1是一個(gè)開環(huán)穩(wěn)定對(duì)象單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)示意圖, 其響應(yīng)序列為，對(duì)于漸進(jìn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，階躍響應(yīng)在(T為采樣周期)后趨于穩(wěn)定即，若單位階躍響應(yīng)某時(shí)刻的采樣值為，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息就可以近似用有限集合進(jìn)行描述，向量稱為模型向量，N稱為建模時(shí)域。圖2-1開環(huán)穩(wěn)定對(duì)象單位階躍響應(yīng)Fig2-1 Open loop stability object unit step response利用模型可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)在未來的輸出值，即當(dāng)K時(shí)刻有一控制量作用時(shí)，在t=kT時(shí)刻，假如控制量不再變化時(shí)系統(tǒng)在未來N個(gè)時(shí)刻的輸出值為,那么，在控制增量作用后系統(tǒng)的

33、輸出可由 （2-1）預(yù)測(cè)，其中表示在t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)的尚無(wú)作用時(shí)未來N個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。表示在t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)的有控制增量作用時(shí)未來N個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。為階躍響應(yīng)模型向量，其元素為描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的N個(gè)階躍響應(yīng)系數(shù)。式中，上標(biāo)表示預(yù)測(cè)，表示在t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)t=(k+i)T時(shí)刻。同樣，如果考慮到現(xiàn)在和未來M個(gè)時(shí)刻控制增量的變化，在t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)在控制增量,作用下系統(tǒng)在未來P個(gè)時(shí)刻的輸出為 （2-2）式中為t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)的無(wú)控制增量時(shí)未來P個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。為t=kT時(shí)刻預(yù)測(cè)的有M個(gè)控制增量時(shí)未來P個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。為從現(xiàn)在起M個(gè)時(shí)刻的控制增量。稱為動(dòng)態(tài)矩陣，其元素為描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的階躍響

34、應(yīng)系數(shù)。2.3.2滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制, 它通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制作用，其核心是在線的滾動(dòng)優(yōu)化，所謂“滾動(dòng)優(yōu)化”，是指優(yōu)化時(shí)域隨時(shí)間不斷地向前推移，在每一個(gè)時(shí)刻k，確定從該時(shí)刻起的M個(gè)控制增量使被控系統(tǒng)在未來P個(gè)時(shí)刻的輸出值, 盡可能接近其期望值,，其優(yōu)化性能指標(biāo)為： （2-3）式中，為權(quán)系數(shù)，P和M分別稱為優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度和控制時(shí)域長(zhǎng)度，引入向量和矩陣記號(hào)， Q=diag(,，)， R=diag(,，)則優(yōu)化性能指標(biāo)式(2-3)可改寫為 (2-4)式中，Q, R分別稱為誤差權(quán)矩陣和控制權(quán)矩陣，在不考慮輸入輸出約束的情況下，求得最小為 (2-5)這就是t=kT時(shí)刻解得的最

35、優(yōu)控制增量序列。2.3.3反饋校正 預(yù)測(cè)控制是一種閉環(huán)控制, 由于模型誤差、弱非線性特性及其它在實(shí)際過程中存在的不確定因素，按預(yù)測(cè)模型式(2-2)得到的開環(huán)最優(yōu)控制規(guī)律式(2-5)不一定能導(dǎo)致系統(tǒng)輸出緊密地跟隨期望值，它也不能顧及對(duì)象受到的擾動(dòng)。為了糾正模型預(yù)測(cè)與實(shí)際的不一致，必須及時(shí)地利用過程的誤差信息對(duì)輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正，而不應(yīng)等到這M個(gè)控制增量都實(shí)施后再作校正。為此，在t=kT時(shí)刻首先實(shí)施中的第一個(gè)控制作用：= (2-6) (2-7)其中 (2-8)由于已作用于對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)未來輸出的預(yù)測(cè)便要疊加上產(chǎn)生的影響，即由式(2-1)算出。到下一個(gè)采樣時(shí)刻t=(k+1)T，不是繼續(xù)實(shí)施最優(yōu)解中的第

36、二個(gè)分量，而是檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出y(k + 1)，并與按模型預(yù)測(cè)算得的該時(shí)刻輸出，即中的第一個(gè)分量進(jìn)行比較，構(gòu)成預(yù)測(cè)誤差。 (2-9)這一誤差反映了模型中未包含的各種不確定因素，如模型失配、干擾等。由于預(yù)測(cè)誤差的存在，以后各時(shí)刻輸出值的預(yù)側(cè)也應(yīng)在模型預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上加以校正，這些未來誤差的預(yù)測(cè)，可通過對(duì)現(xiàn)時(shí)誤差e(k+1)加權(quán)系數(shù)得到 （2-10）式中為t=(k+1)T時(shí)刻經(jīng)誤差校正后所預(yù)測(cè)的系統(tǒng)在t=(k+i)T（i=1,，N）時(shí)刻的輸出. 為誤差校正向量，其中 經(jīng)校正后的的各分量中。除第一項(xiàng)外.其余各項(xiàng)分別是t=(k+1)T時(shí)刻在尚無(wú)等未來控制增量作用時(shí)對(duì)輸出在t=(k+2)T,(k+N)T時(shí)

37、刻的預(yù)測(cè)值，它們可作為t=(k+1)T時(shí)刻的前N一1個(gè)分量，即,i=1,，N-1而中的最后一個(gè)分量。即t=(k+1)T時(shí)刻對(duì)i=(k+1+N)T輸出的預(yù)測(cè)，可由來近似，即=，上述關(guān)系可用向量形式表示 (2-11)其中為移位矩陣。在t=(k+1)T時(shí)刻，有了,就又可以像上面所述t=kT時(shí)刻那樣進(jìn)行新的預(yù)測(cè)優(yōu)化，整個(gè)控制就是在這樣推移的過程中滾動(dòng)進(jìn)行。該算法結(jié)構(gòu)可用圖2-1加以描述。圖中粗箭頭表示向量流，細(xì)箭頭表示純量流。在每一個(gè)采樣時(shí)刻未來P個(gè)時(shí)刻的期望輸出與預(yù)測(cè)輸出所構(gòu)成的偏差向量按式(2-6)與動(dòng)態(tài)向量點(diǎn)乘。得到該時(shí)刻的控制增量。這一控制增量一方面通過數(shù)字積分(累加)運(yùn)算求出控制量作用于對(duì)象

38、;另一方面與階躍響應(yīng)向量a相乘，并按式(2-1)計(jì)算出在其作用后所預(yù)測(cè)的系統(tǒng)輸出。到了下一個(gè)采樣時(shí)刻，首先圖2-2 DMC算法結(jié)構(gòu)Fig2-2 Structure of DMC algorithm測(cè)定系統(tǒng)的實(shí)際輸出y(k+1)，并與原來預(yù)測(cè)的該時(shí)刻的值相比較。按(2-9)算出預(yù)測(cè)誤差e(k+1)。這一誤差與校正向量h相乘后，再按式(2-10)校正預(yù)測(cè)的輸出值。由于時(shí)間的推移，經(jīng)校正的預(yù)測(cè)輸出將按式(2-11)移位，并置定為該時(shí)刻的預(yù)測(cè)初值。圖中的，表示時(shí)移算子，如果把新的時(shí)刻重新定義為k時(shí)刻，則預(yù)測(cè)初值的前P個(gè)分量將與期望輸出一起，參與新時(shí)刻控制增量的計(jì)算。如此循環(huán)，整個(gè)過程將反復(fù)在線進(jìn)行。D

39、MC算法是一種增量算法。可以證明，不管有否模型誤差，它總能將系統(tǒng)輸出調(diào)節(jié)到期望值而不產(chǎn)生靜差。對(duì)于作用在對(duì)象輸入端的階躍形式的擾動(dòng)，該算法也總能使系統(tǒng)輸出回復(fù)到原來的設(shè)定狀態(tài)。2.4RMPCT控制器2.4.1RMPCT控制器結(jié)構(gòu)Profit Controller是一種多變量預(yù)測(cè)控制器33,34，它不僅能對(duì)復(fù)雜工業(yè)過程進(jìn)行先進(jìn)控制，而且能實(shí)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的局部?jī)?yōu)化。其中，魯棒多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)（RMPCT，Robust Multivariable Predictive Control Technology）是其核心技術(shù)，Honeywell/Hi-Spec現(xiàn)已將該技術(shù)置于Profit Cont

40、roller內(nèi)。RMPCT 實(shí)際是一個(gè)大型的軟件包，以模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)為核心，其預(yù)測(cè)模型為動(dòng)態(tài)矩陣模型，包括離線和在線兩部分。該模型是由對(duì)被控對(duì)象實(shí)施階躍測(cè)試，再對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)所得到的對(duì)象傳遞函數(shù)所構(gòu)成的。離線部分有模型辯識(shí)器、過程仿真器、組態(tài)器和工藝計(jì)算部分;在線部分有預(yù)估器、控制器、優(yōu)化器、過程數(shù)據(jù)采集器和模型以及在線工藝計(jì)算；RMPCT 的工作原理框圖如圖2-3所示。圖2-3RMPCT 的原理框圖Fig.2-3 principle graph of RMPCT虛線框內(nèi)部分為RMPCT，利用此模型，可以預(yù)估被控變量的未來變化動(dòng)向，并計(jì)算控制器的輸出值。同時(shí)通過反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化克服模型

41、偏差和干擾造成的影響，使得相關(guān)變 量保持在設(shè)定范圍或約束區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多變量協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制。Profit Controller是一種具有多變量輸入/輸出、基于動(dòng)態(tài)模型、采用多步預(yù)測(cè)、多步控制以及滾動(dòng)優(yōu)化的算法，并帶有優(yōu)化功能的先進(jìn)控制器。Profit Controller的參數(shù)變量有：被控變量、操縱變量和擾動(dòng)變量。 (1)受控變量 CV (Controlled Variable): CV 是系統(tǒng)的控制目標(biāo)，為表征過程受控狀態(tài)的過程變量，在實(shí)際應(yīng)用中，部分或全部 CV 之間是相互影響的,如過程性能指標(biāo)、工藝質(zhì)量指標(biāo)、工藝操作參數(shù)等。 (2)操作變量 MV (Manipulated Variable):

42、 MV 是系統(tǒng)達(dá)到控制目標(biāo)的調(diào)節(jié)手段，為調(diào)節(jié)控制變量的過程變量，如基礎(chǔ)控制的設(shè)定點(diǎn)。MV主要是對(duì)相關(guān)的CV起主要影響作用的、關(guān)鍵的可操作變量。 (3)擾動(dòng)變量 DV (Disturbance Variable): DV 是工藝過程中的干擾因數(shù)，為不可控且影響控制變量的過程變量，如進(jìn)料特性等，對(duì)CV有影響但是不能操作的變量，其波動(dòng)又對(duì)CV的控制產(chǎn)生一定的干擾作用。且其干擾作用是可測(cè)的工藝變量?？刂破鲬?yīng)用RMPCT技術(shù)，將此類變量以前饋信號(hào)的方式引入控制系統(tǒng)的擾動(dòng)通道，以便控制系統(tǒng)能很好的克服擾動(dòng)，使被控變量能得到更好的控制。 (4)可以用一個(gè)子模型來表示各個(gè)操作變量和擾動(dòng)變量與被控變量的關(guān)聯(lián)：式

43、2-12中，g(s)和j(s)分別為MV和DV對(duì)CV的子模型的傳遞函數(shù)，被控對(duì)象CV、MV和DV的個(gè)數(shù)分別n，m，q。 (2-12)預(yù)估器可以預(yù)測(cè)被控對(duì)象未來的輸出值，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)值輸出至多變量控制器作為控制作用的動(dòng)態(tài)指導(dǎo)，同時(shí)穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)值進(jìn)入優(yōu)化器，參與優(yōu)化目標(biāo)的計(jì)算和確定。優(yōu)化器根據(jù)各種經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、約束條件、各變量的上下限值、穩(wěn)態(tài)預(yù)測(cè)值，利用優(yōu)化方法確定優(yōu)化目標(biāo)值，作為多變量控制器的控制作用指導(dǎo)。Honeywell公司的全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化器 Profit Optimizer可以對(duì)涵蓋多個(gè)單元或裝置的多變量控制器 Profit Controller進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全裝置或全廠的優(yōu)化目標(biāo)。基于RMPCT

44、技術(shù)的多變量控制器 Profit Controller根據(jù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)值、優(yōu)化目標(biāo)值、變量限值等，計(jì)算出作為常規(guī)控制回路的設(shè)定值，用于控制實(shí)際過程變量，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)與優(yōu)化控制。2.4.2RMPCT 控制器特點(diǎn)(1)預(yù)測(cè)模型Profit Controller(RMPCT)利用模型來預(yù)估過程的行為35,36，預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來輸入預(yù)測(cè)其未來動(dòng)態(tài)輸出，使控制系統(tǒng)具有預(yù)測(cè)控制效果的能力?？刂破鞯南到y(tǒng)模型實(shí)際上由多個(gè)CV/MV(DV)子過程模型組成的大矩陣，它描述了系統(tǒng)不同過程變量之間的相互作用，以決定控制器的控制行為。 子過程模型：RMPCT使用一個(gè)總模型預(yù)測(cè)過程行為。過程的總模型是

45、由眾多個(gè)子過程模型（每個(gè)子模型描述一個(gè)自變量MV或DV對(duì)被控變量CV的作用）構(gòu)成的一個(gè)矩陣。這些都是動(dòng)態(tài)模型，即它們描述一定的時(shí)間內(nèi)自變量是如何影響被控變量的。有些子模型也許為零，這表示自變量（MV或DV）對(duì)某個(gè)CV沒有影響。子過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：RMPCT使用子過程模型的一般形式。該子過程模型可以為工業(yè)中所遇到的大多數(shù)過程動(dòng)態(tài)行為提供一個(gè)合理的描述，這個(gè)子過程模型的一般形式包含若干個(gè)系數(shù)，這些系數(shù)的值確定了該子過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 模型辨識(shí)：為了把一般模型變?yōu)榫唧w模型，需要確定預(yù)估過程響應(yīng)與實(shí)際過程影響相一致的系數(shù)值，這個(gè)步驟稱為模型辨識(shí)。模型辨識(shí)工作一般在控制器安裝完成之前完成為了辨識(shí)模型，需要在

46、MV和CV之前存在的控制回路處于開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行階躍測(cè)試，同時(shí)收集過程數(shù)據(jù)。在開環(huán)測(cè)試期間，單獨(dú)改變MV,記錄MV輸入值和CV響應(yīng)值，使用這些測(cè)試數(shù)據(jù)來確定模型系數(shù)。Profit Controller(RMPCT)中的模型辨識(shí)是利用霍尼韋爾的動(dòng)態(tài)模型辨識(shí)軟件工具Profit Identifier實(shí)現(xiàn)的。 (2)滾動(dòng)優(yōu)化Profit Controller(RMPCT)是一種優(yōu)化控制，它是通過使某一性能指標(biāo)最優(yōu) 來確定其未來的控制序列的，這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來的行為，例如，通?？扇?duì)象輸出在未來的采樣點(diǎn)上跟蹤某一期望軌跡的方差為最小；但也可取更廣泛的形式，例如要求控制能量為最小而同時(shí)保持輸出在某

47、一給定范圍內(nèi)等等。性能指標(biāo)中涉及到的系統(tǒng)未來的行為，是根據(jù)預(yù)測(cè)模型由未來的控制測(cè)略決定的。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，Profit Controller(RMPCT)中的控制優(yōu)化與傳統(tǒng)的最優(yōu)控制有著本質(zhì)的差別，主要表現(xiàn)在Profit Controller(RMPCT)中的優(yōu)化是一種有限時(shí)段的滾動(dòng)優(yōu)化。即在每一個(gè)采樣時(shí)刻，根據(jù)該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)求解最優(yōu)控制量，到下一個(gè)時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段同時(shí)向前推移，重新求取。因此，這種優(yōu)化控制不是用一個(gè)靜態(tài)優(yōu)化性能指標(biāo)，而是在每一個(gè)時(shí)刻有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)。不同時(shí)刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對(duì)形式是相同的，但其絕對(duì)形式，即所包含的時(shí)間區(qū)域，則是不同的。這種滾動(dòng)優(yōu)化雖

48、不直接求解全局最優(yōu)解，但是反復(fù)對(duì)每一采樣時(shí)刻的偏差進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將可及時(shí)的校正控制中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況，最終達(dá)到優(yōu)化解。(3)反饋校正 預(yù)測(cè)控制是一種閉環(huán)控制算法。在通過優(yōu)化確定了一系列未來的控制作用后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對(duì)理想狀態(tài)的偏離，預(yù)測(cè)控制通常不是把這些控制作用逐一全部實(shí)施，而只是本時(shí)刻的控制作用。到下一個(gè)采樣時(shí)刻，則首先檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時(shí)信息對(duì)基于模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。Profit Controller(RMPCT)的優(yōu)化依據(jù)不僅是模型的預(yù)報(bào)，還利用了輸出反饋信息，因而構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。(4)魯棒性控制算法由于辨識(shí)模型受實(shí)驗(yàn)條件、擬合誤

49、差等影響，通常精度不高，需要借助于控制算法的強(qiáng)魯棒性來加以克服。在Profit Controller(RMPCT)中，采取了許多先進(jìn)算法來增加系統(tǒng)的魯棒性。歸納起來，這些算法源于一個(gè)目標(biāo)，即增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少不必要的調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。(5)多目標(biāo)分層次控制算法RMPCT的作用目標(biāo)是使所有控制變量（CV）盡可能控制在設(shè)定范圍內(nèi)，并且不允許操作變量（MV）超過界限。在各個(gè)CV中優(yōu)先處理重要CV的偏差消除，相對(duì)不太重要的次之，每個(gè)控制周期計(jì)算出多步控制量，但只輸出第一步控制量，同時(shí)保證該控制量滿足MV的約束限制。當(dāng)所有CV的控制目標(biāo)滿足后，如果還有自由度，RMPCT控制器能夠把過程操作向

50、目標(biāo)函數(shù)最小的方向進(jìn)行優(yōu)化推移控制，即進(jìn)行經(jīng)濟(jì)目標(biāo)優(yōu)化。Profit Controller(RMPCT)是一種基于模型、滾動(dòng)優(yōu)化并結(jié)合反饋校正同時(shí)具有魯棒性控制算法的先進(jìn)多變量預(yù)估控制器?？刂破鲹碛幸粋€(gè)過程動(dòng)態(tài)模型，模型的輸出經(jīng)過工藝過程實(shí)際輸出修正后，通過預(yù)估器預(yù)估過程過程的未來動(dòng)向，結(jié)合經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化目標(biāo)來確定控制器的輸出，從而使過程的所有變量保持在設(shè)定值上或約束區(qū)間內(nèi)。對(duì)Profit Controller(RMPCT)而言，有多個(gè)CV和MV，并不是特定的MV對(duì)應(yīng)特定的CV，而是控制器將所有的變量看作是一個(gè)系統(tǒng)，考慮所有的MVs對(duì)CVs的影響。優(yōu)化器是通過使某一性能指標(biāo)最優(yōu)來確定其未來的控制序

51、列的。反饋校正的功能就是在進(jìn)入下一個(gè)采樣時(shí)刻前，將首先采出被控對(duì)象的實(shí)際輸出，并對(duì)某個(gè)模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正，從而獲得較準(zhǔn)確的輸出預(yù)報(bào)。2.4.3RMPCT關(guān)鍵技術(shù)適應(yīng)性和魯棒性強(qiáng)37,38，Profit Controller(RMPCT)在過程變量具有較強(qiáng)的耦合情況下能保證大操作范圍內(nèi)的魯棒性，這是因?yàn)镻rofit Controller(RMPCT)采用了以下關(guān)鍵技術(shù)： 區(qū)域控制算法RCA (Range Control Algorithm)，Honeywell取得專利的區(qū)域控制算法（RCA）是Profit控制器的核心之一。RCA并不要求所有的受控變量都精確的保持在給定點(diǎn)上，而是允許其中任何一個(gè)

52、在用戶指定的接近設(shè)定點(diǎn)范圍之內(nèi)浮動(dòng)。 變量漏斗限制技術(shù)，為了防止大幅度的改變過程變量破壞系統(tǒng)的平穩(wěn)性，影響控制系統(tǒng)魯棒性，Profit Controller(RMPCT)對(duì)過程變量的變化加以漏斗限制，即限定每個(gè)控制周期內(nèi)控制變量與操作變量的變化速度，使之能平滑的過度到設(shè)定值或控制區(qū)域內(nèi)。 特征值閾值限制，Profit Controller(RMPCT)通過對(duì)動(dòng)態(tài)模型矩陣的特征值進(jìn)行閾值限制。實(shí)現(xiàn)了控制器速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)也提高動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型的魯棒性。在某些情況下，沒有采用該技術(shù)的控制器同Profit Controller相比，在速度上慢得多。另外，Profit Controller并沒有像其他

53、控制器那樣通過丟棄控制變量來提高控制器的速度。 Min-Max原則，Min-Max是一種尋求馬鞍點(diǎn)的方法。RMPCT控制器應(yīng)用Min-Max原則，先找出過程模型的不確定性，根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)求出最壞的情況，然后在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出具有最好控制性能的控制器參數(shù)。Profit Controller(RMPCT)采用了最大可能模型偏差下的最優(yōu)設(shè)計(jì)，提高了對(duì)可能模型偏差的魯棒性，從而提高了控制系統(tǒng)的整體魯棒性。 (2)PVO(product value )產(chǎn)品價(jià)值優(yōu)化是RMPCT的專利性特征39-44，在RMPCT優(yōu)化中，首先利用優(yōu)化自由度（獨(dú)立操作變量）滿足系統(tǒng)的約束，在自由度有剩余的情況下，再利用剩

54、余自由度進(jìn)行以產(chǎn)品價(jià)值為目標(biāo)的優(yōu)化，以提高控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。另外，不管采用PVO還是采用簡(jiǎn)單的最大最小策略優(yōu)化算法都作為控制回路的一部分并集成到RCA中，因而其優(yōu)化的速度可以與CV變量的誤差修正速度獨(dú)立調(diào)整。 (3)特有的前饋控制，Profit Controller提供取得專利的兩個(gè)自由度的前饋調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)使得前饋輸入的響應(yīng)比反饋響應(yīng)來的快，這提供了更為有效的反饋補(bǔ)償，不會(huì)由于反饋通道的高增益引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，而傳統(tǒng)多變量預(yù)測(cè)控制器對(duì)于測(cè)量擾動(dòng)的響應(yīng)程度是受反饋速度限制的（過程穩(wěn)定限制）。 (4)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)手段，允許工程師改變控制器對(duì)于測(cè)量擾動(dòng)的響應(yīng)程度是Profit Controller中專

55、利性的特征。Profit Controller通過一個(gè)“性能比”前饋與反饋性能比來調(diào)節(jié)每個(gè)CV變量的控制響應(yīng)時(shí)間，這與以前調(diào)節(jié)CV、MV變量“耦合權(quán)重因子”相比更為直觀，同時(shí)減少了控制器提交用戶的時(shí)間和工程維護(hù)時(shí)間。 (5)離線的設(shè)計(jì)環(huán)境，離線的開發(fā)環(huán)境可非常方便的進(jìn)行過程模型辨識(shí)、建立Profit Controller，并用仿真器進(jìn)行測(cè)試以及模型的靈活性，在Profit Controller中所用的模型可以修改，單個(gè)參數(shù)可以進(jìn)行在線修正，如子模型中的增益，時(shí)間延遲等參數(shù)都可在線修改。因此工程師可以非常容易的對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使之適合用于各種不同對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。(6)支持多種平臺(tái)，Profit

56、Controller可以完全集成到Honeywell的TPS，Plant Scape等DCS中，此外基于Windows NT的Profit Controller通過Hi-Spec的Uniform-ance數(shù)據(jù)庫(kù)可與任何一種控制系統(tǒng)相連，應(yīng)用非常靈活方便。Profit Controller在過程控制領(lǐng)域中得到了成功的應(yīng)用，大量的成功應(yīng)用實(shí)例證明Profit Controller具有傳統(tǒng)多變量預(yù)測(cè)控制器不具有的優(yōu)點(diǎn)：較短的投資回報(bào)周期；對(duì)于過程的變化具有較強(qiáng)的魯棒性；控制器的使用和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單；辨識(shí)、建模、仿真等環(huán)境集成于一體，同其他廠商所提供的控制器相比，Profit Controller正常運(yùn)行時(shí)

57、間最長(zhǎng)，維修時(shí)間最短。2.5 PACROS系統(tǒng)技術(shù) PACROS（Process Advanced Control and Real-time Optimization Solution）是Pacos Tech團(tuán)隊(duì)在多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利的技術(shù)基礎(chǔ)上歷經(jīng)多年成功研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面向石油化工等大型連續(xù)生產(chǎn)流程工業(yè)的過程先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化全面解決方案。與目前國(guó)內(nèi)外其他過程控制企業(yè)提供的先進(jìn)控制技術(shù)相比較，PACROS是一套具有鮮明的先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，采用基于機(jī)理分析的狀態(tài)空間模型技術(shù)，多變量變結(jié)構(gòu)狀態(tài)反饋模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制技術(shù)，以及基于先進(jìn)控制的生產(chǎn)方案自動(dòng)切換技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)深度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)智能

58、優(yōu)化技術(shù)，PACROS系統(tǒng)是以提高連續(xù)生產(chǎn)過程的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”，取得切實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。2.5.1 PACROS特點(diǎn)1.先進(jìn)性： 獨(dú)一無(wú)二于機(jī)理的、具有良好魯棒性的動(dòng)態(tài)模型技術(shù)，基于機(jī)理的重要不可測(cè)變量的在線實(shí)時(shí)觀測(cè)（軟儀表）系統(tǒng)，先進(jìn)的變結(jié)構(gòu)通用多變量模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制技術(shù)，擁有多項(xiàng)專利技術(shù)并能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)深度實(shí)時(shí)優(yōu)化。2.有效性 以先進(jìn)性為保障，在基于機(jī)理的質(zhì)量指標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)控制實(shí)現(xiàn)質(zhì)量卡邊操作，節(jié)能降耗。通過實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)確保在生產(chǎn)條件發(fā)生變化時(shí)能及時(shí)有效的找到生產(chǎn)裝置運(yùn)行的優(yōu)化點(diǎn)，從而達(dá)到效益最大化。3.實(shí)用性 Microsoft Windows為平臺(tái)，

59、具有簡(jiǎn)單易用的操作界面，以業(yè)內(nèi)通用的OPC技術(shù)為通訊接口，實(shí)現(xiàn)專職上位機(jī)，與第三方DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。分布式系統(tǒng)使得PACROS的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用靈活方便、安全性、先進(jìn)控制與常規(guī)控制之間的無(wú)擾切換、數(shù)據(jù)處理和故障診斷、通訊監(jiān)控與緊急切除措施、系統(tǒng)功能用戶權(quán)限分級(jí)：工程師權(quán)限以及操作員權(quán)限。4.多項(xiàng)專利技術(shù)PACROS系統(tǒng)基于以下國(guó)家專利技術(shù)：.0 催化裂化反應(yīng)深度的動(dòng)態(tài)觀測(cè)與控制方法.9 汽油與柴油質(zhì)量指標(biāo)的在線確定方法.3 催化裂化裝置反應(yīng)深度實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法.2 通用多變量模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制方法3.8 連續(xù)生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)器的控制方法與系統(tǒng) 這些專利技術(shù)包含了 重要不可測(cè)變量的在線實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)，像

60、測(cè)量?jī)x表一樣，實(shí)時(shí)給出不可測(cè)變量的數(shù)值，作為操作和先進(jìn)控制的重要依據(jù)。也包含了解決多變量、變結(jié)構(gòu)、多重時(shí)間滯后生產(chǎn)過程的多中控制要求的平穩(wěn)控制、約束控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)。還有專門針對(duì)催化裂化裝置，也是在以上基礎(chǔ)上取得主要經(jīng)濟(jì)效益的催化裂化裝置反應(yīng)深度在線實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)。 除以上專利技術(shù)外，PACROS還具有解決生產(chǎn)過程操作控制實(shí)際問題的一些專有技術(shù)，如生產(chǎn)過程的機(jī)理動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、液位流量的協(xié)調(diào)控制、調(diào)節(jié)閥（變頻器）的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、提高PID控制性能的振動(dòng)線性化方法、過程變量故障與非正常生產(chǎn)狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理技術(shù)等。 以上技術(shù)的主要特點(diǎn)是：將石油化工科技進(jìn)步（機(jī)理動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型）與現(xiàn)代控制理論（