CN107885083B - 基于ukf与adhdp的天然气吸收塔脱硫过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法。利用BP神经网络对天然气吸收塔脱硫过程建模并以该模型为被控对象进行脱硫过程控制仿真实验，根据控制误差和性能指标函数不断更新优化权值，直到得到最有控制信号，实现脱硫过程的最优控制。天然气吸收塔脱硫过程复杂，表现不确定性、非线性、强耦合性、动态性等特点，难以建立精确的数学模型，控制难度较大。针对目前脱硫过程控制方法控制精度低，时滞大、不稳定等问题提出一种基于UKF和ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，不仅保证了控制系统的稳定性和控制精度，还降低了响应时间，真正实现了天然气吸收塔脱硫过程的实时精确控制。

Description

基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法

技术领域

本发明涉及天然气脱硫吸收塔反应过程控制技术，具体涉及一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)与执行依赖启发式动态规划(ADHDP)结合的天然气吸收塔脱硫过程控制方法。

背景技术

天然气作为一种优质、清洁的能源和化工原料，使用方便并且拥有较高的综合经济效益。我国拥有丰富的天然气资源，但是约30％左右的天然气中含有大量硫元素，其中H₂S含量大于1％的天然气储量占到总储量的1/4。H₂S的存在不仅会造成设备和管道的腐蚀、危害人体健康，其燃烧产物也会污染环境。因此，在天然气脱硫过程中，H₂S含量控制显得尤为重要。

天然气脱硫吸收塔是天然气净化装置的重要组成部分，直接影响天然气净化效果。天然气原料气进入吸收塔与塔内甲基二乙醇胺(MDEA)溶液充分接触发生反应，从而达到脱硫的目的，整个过程同时发生物理化学反应和相位反应，涉及物质转化和能量传递，受各种不确定因素影响较大，表现不确定性、非线性、强耦合性、动态性等特点，难以建立精确的数学模型，从而给吸收塔脱硫过程的控制带来了极大困难。

现有的控制技术多为PID单回路控制或简单串级控制，控制系统自动化程度不高且过多的依赖专家经验调节控制参数，具有较大的滞后性，控制精度较低，控制系统的稳定性也难以保证，难以达到实时精确控制。

发明内容

本申请通过提供一种基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，以解决目前吸收塔脱硫过程控制技术中存在的控制精度低，时滞大，控制系统不稳定等问题，保证天然气脱硫效果。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：通过分析吸收塔脱硫工艺过程，确定影响天然气脱硫效果的主要因素为酸性天然气处理量和醇胺溶液循环量，分别用u1和u2表示，由此构成控制信号u(k)＝[u1，u2]；

步骤2：确定脱硫过程模型输入样本数据输出样本数据，采用BP神经网络建立天然气吸收塔脱硫过程模型；

步骤3：设定理想控制目标值

运用UKF算法对ADHDP方法的评价网络和执行网络权值进行更新，并通过执行网络和评价网络分别得到控制信号u(k)＝[u1，u2]和性能指标函数J(k)，建立UKF-ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法；

步骤4：将步骤3所得控制信号u(k)＝[u1，u2]和当前时刻系统状态x(k)＝[x1，x2]作为吸收塔脱硫过程模型输入，从而得到系统输出x(k+1)；

步骤5：计算控制误差E(k)，若小于期望误差，结束训练，否则返回步骤3。

作为进一步说明，所述步骤3具体按照以下步骤进行：

步骤3-1：根据控制误差E(k)，采用UKF算法更新评价网络和执行网络权值；

步骤3-2：计算控制信号u(k)；

步骤3-3：计算评价网络输出J(k+1)。

作为进一步说明，步骤3-1中采用UKF算法更新权值过程为：

(1)初始化系统参数；

(2)计算Sigma点状态向量；

(3)：进行系统状态一步预测及协方差矩阵；

(4)：计算系统观测及协方差矩阵；

(5)：计算卡尔曼增益；

(6)：更新系统状态估计矩阵及协方差阵为:

作为进一步说明，步骤5中，控制误差E(k)计算公式为：

式中，函数U(k)为效用函数。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：在吸收塔脱硫过程控制中，该方法控制精度高，收敛速度快，能够提高控制系统稳定性和控制精度，降低控制系统响应时间，保证天然气脱硫效果。

附图说明

图1本发明原理框图；

图2天然气吸收塔脱硫过程模型示意图；

图3-6为天然气吸收塔脱硫过程模型测试结果示意图；

图3 H₂S含量预测示意图；

图4 H₂S含量预测相对误差示意图；

图5 CO₂含量预测示意图；

图6 CO₂含量预测相对误差示意图；

图7 UKF-ADHDP控制结构示意图；

图8-11为天然气吸收塔脱硫过程控制曲线示意图；

图8天然气净化气中H₂S含量控制曲线示意图；

图9天然气净化气中CO₂含量控制曲线示意图；

图10天然气原料气处理量控制曲线示意图；

图11醇胺溶液循环量控制曲线示意图。

具体实施方式

本申请提供一种基于UKF与ADHDP的吸收塔脱硫过程控制方法，发明原理框图如图1所示。参考现有技术手段，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该方法采用智能算法用于吸收塔脱硫过程控制，具有较高的控制精度，能够降低控制系统响应时间，能够实时自动调整控制参数，提高控制系统稳定性，真正达到了实时控制的目的。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图2-11以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

首先进入步骤1：选取酸性天然气处理量和吸收酸性气体所用的醇胺溶液循环量两个参数构成控制信号u(k)＝[u1，u2]。

步骤2：运用BP神经网络，分别以input₁～input_n和x₁～x_n作为输入输出样本进行训练、检验，从而建立吸收塔脱硫过程模型。其中，input＝[x1，x2，u1，u2]，x＝[x1，x2]，n表示样本数量，u1，u2分别表示单位时间内原料天然气处理量和醇胺溶液循环量，x1，x2分别表示天然气净化气中H₂S含量(mg/m³)和CO₂含量(％)。

在本实施例中，建立如图2所示的吸收塔脱硫过程模型，输入层神经元个数为4，输出层神经元个数为2；根据经验，隐含层节点选择为

(x为输入层节点，y为输出层节点，a＝1,2,…9)，通过依次试验选择建模测试精度最高的隐含层节点为10；隐含层传递函数为tansig函数，输出层传递函数为purelin函数；期望误差最小值为0.0001，修正权值的学习效率为0.05。建模样本数据为普光气田实际生产数据，共计500组，随机选取80％的样本数据用作模型训练，剩余20％的样本用作模型测试。

设吸收塔反应过程模型输入为P，输入神经元个数为r,隐含层神经元个数为s1,对应的激活函数为h1，隐含层输出为a1；输出层神经元个数为s2，对应的激活函数为h2，输出为a2,目标矢量为T。

步骤2中建立吸收塔脱硫过程模型具体包括如下步骤：

步骤2-1：初始化，设迭代次数g初值为0，同时赋给W1，W2，B1，B2一个(0,1)区间的随机值；

步骤2-2：随机输入样本P_j；

步骤2-3：对输入样本P_j，前向计算BP神经网络每层神经元的输入和输出；

隐含层第i个神经元的输出为：

输出层第s个神经元的输出为：

步骤2-4：根据期望输出T和实际输出a2(g)，计算误差E(g)；

定义误差函数为：

步骤2-5：判断误差E(g)是否满足要求，如不满足，则进入步骤2-6，如满足，则进入步骤2-8；

步骤2-6：判断迭代次数g+1是否大于最大迭代次数，如大于，则进入步骤2-8，否则，进入步骤2-7；

步骤2-7：计算权值修正量ΔW，并修正权值。

①输出层权值变化

对从第i个输入到第k个输出的权值，有：

其中，δ_ki＝(t_k-a2_k)·h2′＝e_k·h2′，e_k＝t_k-a2_k。

②隐含层权值变化

对从第j个输入到第i个输出的权值，有：

其中，

同理可得：

Δb1_i＝η·δ_ij

式中，η为学习效率；令g＝g+1，跳转至步骤3；

步骤2-8：判断是否完成所有的训练样本，如果是，则完成建模，否则，继续跳转至步骤2-2；

通过上述过程，可得到BP神经网络预测效果如图3，5所示，对应的预测误差如图4，6所示。通过分析图3-6可知，BP神经网络训练建立吸收塔脱硫过程模型具有较高的精度，能够精确预测系统的输出，为天然气脱硫过程控制方法的研究奠定基础。

步骤3：设定理想控制目标值

运用UKF算法对ADHDP方法的评价网络和执行网络权值进行更新，并通过执行网络和评价网络分别得到控制信号u(k)＝[u1，u2]和性能指标函数J(k),建立UKF-ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，其控制结构如图7所示：Action-UKF为执行网络，输入输出分别为系统状态x(k)和控制信号u(k)；Controlled Object为模型网络，输入为系统状态x(k)和控制信号u(k)，输出为系统下一时刻状态x(k+1)；Critic-UKF为评价网络，输入为x(k+1)和u(k+1)，输出为性能指标函数

执行网络和评价网络训练分别以控制误差E(k)和性能指标函数J(k)最小化为目标，虚线表示网络权值调整路径。

在本实施例中，控制误差计算公式为：

式中，函数U(k)为效用函数，为控制信号u(k)和代价函数J(k)的函数。

UKF算法采样点以及相应权值计算公式为：

(1)计算2n+1个sigma点

(2)计算采样点相应的权值

参数λ＝α²(n+τ)-n是一个缩放比例参数，α的选取控制了采样点的分布状态，τ为待选参数，其取值虽然没有具体界限，但通常应确保矩阵(n+λ)P为半正定矩阵。待选参数σ≥0是一个非负的权系数，它可以合并方程中高阶项的动差，这样就可以把高阶项的影响包括在内，减小误差。

表示矩阵均方根的第i行或第i列，

分别为矩阵、协方差的加权值。

步骤3-1：权值更新

(1)初始化系统参数；

(2)计算Sigma点状态向量；

(3)进行系统状态一步预测及协方差矩阵；

(4)计算系统观测及协方差矩阵；

(5)计算卡尔曼增益；

(6)更新系统状态估计矩阵及协方差阵为:

式中，

为k时刻的系统状态估计矩阵，

为卡尔曼增益矩阵，G(k+1|k)为k时刻的系统观测矩阵，

为k时刻的系统观测预测矩阵；

式中，

为k时刻系统估计矩阵协方差阵，

为k时刻系统观测矩阵协方差阵；

步骤3-2：计算控制信号u(k)

将执行网络隐含层权值W_a1和输出层权值W_a2两组参数作为执行网络的状态向量X_a。

X_a经过步骤3-1不断更新优化，最终得到一组最优权值。

更新后执行网络隐含层输出为：

L_a＝x(k)*W_a1

其中，x(k)为k时刻系统状态，即控制输出。

更新后执行网络输出层输出为：

u(k)＝Q_a*W_a2

式中，Q_a＝(1-exp(-L_a))/(1+exp(-L_a))，u(k)即为执行网络输出的控制信号。

步骤3-3：计算性能指标函数J(k)

将执行网络隐含层权值W_c1和输出层权值W_c2两组参数作为执行网络的状态向量X_c。

X_c经过步骤3-1不断更新优化，最终得到一组最优权值。

更新后评价网络隐含层输出为：

L_c＝input*W_c1

其中，input＝[x(k+1)，u(k+1)]。

更新后评价网络输出层输出为：

J(k+1)＝Q_c*W_C2

其中，Q_c＝(1-exp(-L_c))/(1+exp(-L_c))。

步骤4：将步骤3所得控制信号u(k)＝[u1，u2]和当前时刻系统状态x(k)＝[x1，x2]作为吸收塔脱硫过程模型输入，从而得到系统输出x(k+1)。

步骤5：步骤5：计算控制误差E(k)，若小于期望误差，结束训练，否则返回步骤3。

在本实施例中，设定被控变量目标值x1＝1.53和x2＝1.6，通过上述过程，可得到天然气净化气中H₂S和CO₂含量控制曲线图如图8，9所示，原料天然气处理量和醇胺溶液循环量控制曲线如图10，11所示。通过分析8-11可知，UKF-ADHDP方法对吸收塔脱硫过程的控制满足实际工艺要求，且具有收敛速度快，控制精度高等特点。

本发明提供了一种基于UKF与ADHDP的吸收塔反应过程控制方法。首先，利用BP神经网络训练吸收塔脱硫实际生产数据，建立吸收塔脱硫过程模型，从而绕开了脱硫过程机理上的细节性问题，解决了因脱硫过程复杂而导致的建模困难的问题，为天然气脱硫过程控制方法的研究奠定基础。然后，以建立的模型为被控对象用于预测系统的控制输出，采用ADHDP方法对吸收塔反应过程进行控制并采用UKF算法更新优化ADHDP评价网络和执行网络权值权值，建立基于UKF-ADHDP的吸收塔脱硫过程控制方法。该方法摆脱了长期以来对专家经验的过度依赖，解决了现有吸收塔脱硫过程控制技术存在的控制精度低，时滞大，控制系统不稳定等问题，真正达到了吸收塔脱硫过程实时精确控制的目的，也为解决类似工业控制问题提供了一种新的思路，体现了人工智能算法在工业中的强大功能。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：通过分析天然气吸收塔脱硫工艺过程，确定影响天然气脱硫效果的主要因素为酸性天然气处理量和醇胺溶液循环量，分别用u1和u2表示，由此构成控制信号u(k)＝[u1，u2]；

步骤2：确定脱硫过程模型输入样本数据输出样本数据，采用输入层神经元个数为4，隐含层节点为10，输出层神经元个数为2，隐含层传递函数为tansig函数，输出层传递函数为purelin函数，期望误差最小值为0.0001，修正权值的学习效率为0.05的BP神经网络建立天然气吸收塔脱硫过程模型；

步骤3：设定理想控制目标值

运用UKF算法对ADHDP方法中的评价网络和执行网络权值进行更新，并通过执行网络和评价网络分别得到控制信号u(k)＝[u1，u2]和性能指标函数J(k)，建立UKF-ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，具体步骤为：

步骤3-1：采用UKF算法更新评价网络和执行网络权值，更新系统状态估计矩阵及协方差阵为:

其中，

为k时刻的系统状态估计矩阵，

为卡尔曼增益矩阵，G(k+1|k)为k时刻的系统观测矩阵，

为k时刻的系统观测预测矩阵；

其中，

为k时刻系统估计矩阵协方差阵，

为k时刻系统观测矩阵协方差阵；

步骤3-2：计算控制信号u(k)：

将UKF优化后的执行网络隐含层权值W_a1和输出层权值W_a2两组参数作为执行网络的状态向量X_a：

X_a经过不断更新优化，最终得到一组最优权值；

更新后执行网络隐含层输出为：

L_a＝x(k)*W_a1

其中，x(k)为k时刻系统状态，即控制输出；

更新后执行网络输出层输出为：

u(k)＝Q_a*W_a2

式中，Q_a＝(1-exp(-L_a))/(1+exp(-L_a))，u(k)即为执行网络输出的控制信号；

步骤3-3：计算评价网络输出J(k+1)：

将UKF优化后的执行网络隐含层权值W_c1和输出层权值W_c2两组参数作为执行网络的状态向量X_c：

X_c经过不断更新优化，最终得到一组最优权值；

更新后评价网络隐含层输出为：

L_c＝input*W_C1

其中，input＝[x(k+1)，u(k+1)]；

更新后评价网络输出层输出为：

J(k+1)＝Q_c*W_C2

其中，Q_c＝(1-exp(-L_c))/(1+exp(-L_c))；

步骤4：将步骤3所得控制信号u(k)＝[u1，u2]和当前时刻系统状态x(k)＝[x1，x2]作为吸收塔脱硫过程模型输入，从而得到系统输出x(k+1)；

步骤5：计算控制误差E(k)，若小于期望误差，结束训练，否则返回步骤3。

2.根据权利要求1所述的基于UKF与ADHDP的天然气吸收塔脱硫过程控制方法，其特征在于：

步骤5中控制误差E(k)计算公式为：

式中，函数U(k)为效用函数。

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