論文題目：Economic optimization of chemical processes based on zone predictive control with redundancy variables

發(fā)表期刊：Energy（2020 JCRQ1 TOP）

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118586

作者列表：

1） 萬(wàn)  鑫 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 博17級(jí)

2） 羅雄麟 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化系

簡(jiǎn)介：

本文提出了一種基于冗余控制變量的優(yōu)化控制策略，以提高控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。區(qū)域控制。當(dāng)系統(tǒng)在區(qū)域控制目標(biāo)外部時(shí)，區(qū)域預(yù)測(cè)控制算法用于優(yōu)先將狀態(tài)驅(qū)動(dòng)到區(qū)域控制目標(biāo)內(nèi)部。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入?yún)^(qū)域控制目標(biāo)時(shí)，可以使用冗余控制變量直接對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了該策略的有效性和可行性。結(jié)果表明，該策略可以減少系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失。

摘要：

區(qū)域控制是將控制目標(biāo)從點(diǎn)擴(kuò)展到凸集。附加的自由度可以改善控制性能并優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能。這種附加的自由度已被證明專(zhuān)門(mén)由冗余控制變量表示。本文提出了一種基于冗余控制變量的優(yōu)化控制策略，以提高控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。區(qū)域控制。當(dāng)系統(tǒng)在區(qū)域控制目標(biāo)外部時(shí)，區(qū)域預(yù)測(cè)控制算法用于優(yōu)先將狀態(tài)驅(qū)動(dòng)到區(qū)域控制目標(biāo)內(nèi)部。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入?yún)^(qū)域控制目標(biāo)時(shí)，可以使用冗余控制變量直接對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，每個(gè)變量都由穩(wěn)態(tài)映射模型評(píng)估，并且滿(mǎn)足某些條件的變量被標(biāo)記為冗余變量?？刂破骱蛢?yōu)化器基于此標(biāo)簽進(jìn)行協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和經(jīng)濟(jì)性能。最后，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了該策略的有效性和可行性。結(jié)果表明，該策略可以減少系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失。

背景和動(dòng)機(jī)

生產(chǎn)過(guò)程的效益包括許多綜合因素，其中產(chǎn)品的銷(xiāo)售占主要部分。 產(chǎn)品的銷(xiāo)售與產(chǎn)品的質(zhì)量有關(guān)，例如產(chǎn)品中每種組分的比例。 因此，在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)，通常將每個(gè)組分或可以表征這些組分的其他變量（例如壓力和溫度）用作控制變量。 但是，這種簡(jiǎn)單的考慮忽略了額外的成本，例如能耗和污水處理。 同時(shí)，這些額外成本與系統(tǒng)的輸入或輸出變量有關(guān)。 因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化策略時(shí)應(yīng)考慮這一部分。

本文以能源與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化為目的，提出了一種基于冗余控制變量的優(yōu)化策略。該策略能夠被使用在區(qū)間控制的框架下。當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)置區(qū)域之外時(shí)，由區(qū)域預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行控制，以便系統(tǒng)可以快速進(jìn)入設(shè)定目標(biāo)。當(dāng)控制器進(jìn)入設(shè)定目標(biāo)的內(nèi)部時(shí)，意味著控制目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)滿(mǎn)足需求。此時(shí)，可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。 盡管經(jīng)濟(jì)優(yōu)化通常與控制性能不兼容，但在區(qū)間控制的框架下可以利用其潛在的自由度協(xié)調(diào)這兩種關(guān)系。系統(tǒng)的外部干擾等因素可能會(huì)打破這種優(yōu)化與控制共存的狀態(tài)。在這種情況下，控制策略應(yīng)當(dāng)及時(shí)切換以免產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。整個(gè)系統(tǒng)將處于這種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中。

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

當(dāng)控制連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)可能具有兩個(gè)工作狀態(tài)?？刂颇Ｊ胶蛢?yōu)化模式。值得注意的是，以?xún)?yōu)化模式運(yùn)行的系統(tǒng)不會(huì)完全關(guān)閉控制器。在本文提出的框架中，優(yōu)化基于冗余控制變量，這意味著有一個(gè)優(yōu)化器來(lái)調(diào)整冗余變量，而其余變量仍在區(qū)域控制器的控制之下。

圖1.系統(tǒng)操作狀態(tài)切換示意圖（滿(mǎn)足有向線(xiàn)段切換條件時(shí)，系統(tǒng)操作狀態(tài)將改變）。

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以SHELL重油初餾塔為例（圖2）

圖2.SHELL重油初餾塔P&ID圖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3.系統(tǒng)離線(xiàn)仿真圖（每個(gè)點(diǎn)都是穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，以及從初始時(shí)刻到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)間）。

圖4.系統(tǒng)狀態(tài)軌跡以及經(jīng)濟(jì)損失隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的并行結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略是可行的。 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意選擇優(yōu)化器的采樣周期和冗余間隔。 在該實(shí)驗(yàn)中，由于冗余間隔太大，因此第二階段的系統(tǒng)狀態(tài)超出了控制目標(biāo)。 因此，當(dāng)設(shè)計(jì)冗余間隔時(shí)，可以適當(dāng)?shù)販p小它以獲得更穩(wěn)定的控制性能。

作者簡(jiǎn)介

羅雄麟，博士

現(xiàn)任中國(guó)石油大學(xué)（北京）教授、博士生導(dǎo)師、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)（教育部高等學(xué)校特色專(zhuān)業(yè)）負(fù)責(zé)人、控制科學(xué)與工程（博士一級(jí)）學(xué)科負(fù)責(zé)人，校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、校學(xué)位委員會(huì)委員。北京人工智能學(xué)會(huì)理事會(huì)常務(wù)理事、北京自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事會(huì)常務(wù)理事。

控制理論與過(guò)程控制、化工系統(tǒng)工程、機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)者。科研工作涉及控制理論及應(yīng)用、過(guò)程控制工程、過(guò)程系統(tǒng)工程和機(jī)器學(xué)習(xí)等，同時(shí)長(zhǎng)期從事煉油化工過(guò)程軟測(cè)量?jī)x表與先進(jìn)控制、過(guò)程流程模擬與實(shí)時(shí)優(yōu)化等技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用工作。