CN108490771A - 一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法 - Google Patents

一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法 Download PDF

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聂新源
聂选荣
李天民
李波
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Abstract

本发明涉及石化控制技术领域，公开的一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法，采用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，即改进的PID算法，并且支持虚拟点、虚拟位号、历史数据作为控制手段。并且根据工艺参数变化规制律和PID控制律的关系,采用PID参数在线整定的自校正方法，确保复杂的工艺情况下，确保回路控制参数好用，回路控制效果好；经改善后的计算方法，较传统PID从效果上有很大提高。本发明智能控制的自动化水平提高，工艺参数平稳性大幅提升，经济效益提升。

Description

一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法
技术领域
本发明涉及石化控制技术领域，尤其涉及石油化工、煤化工、制药、发电、钢铁等流程性行业应用的一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法。
背景技术
目前市场上研发先进控制的企业主要有Honeywell、Aspen、HP等国外产品，国内主要有石化盈科的中石化下属企业、折江中控。先进控制技术应用于生产过程中，是信息技术在企业最下层生产装置中的应用，目的是充分利用已建成的装置提高生产过程操作的平稳性和产品质量合格率卡边操作提高目的产品收率满负荷运行提高处理能力优化操作条件以便按需要优化产品分布节能降耗延长运转周期增加资产利用率安全生产在更高水平上实现“安稳长满优”运行进一步增强企业竞争能力。
工艺计算是先进控制技术的重要组成部分主要包括两方面内容：
一是设备能力计算。设备能力是优化的约束条件现在已经开发出相当多的较为成熟的工艺计算软件包以及工艺模型。
二是产品质量等不可测量参数的计算这些参数将直接作为参加整体控制是工艺计算中最重要的内容，例如炼油过程的产品馏程、倾点、蒸气压及生焦量等，石油化工过程中的产品组成、纯度、含量及转化率等。计算技术主要基于工艺的物料平衡、能量平衡或神经元网络技术等。这类计算结果对大多数生产基本稳定的工况具有相当好的使用价值，不足之处是不能直接应用于生产实时动态过程。国外个别领先的石油化工公司与软件公司已经在聚烯烃等装置上合作开发出工艺机理动态模型及非线性控制器的试点成果。由于国外技术封锁以及国内外设计理念的差异，导致目前国内还没有实现动态过程很好的控制。先进控制效果一般。
三是目前国内先进控制都采用MPC优化运算出各个被控变量的给定值(SV)，将SV传给各控制回路，各控制回路的自动控制还依赖于原DCS或PLC自已的PID回路，这就造成需要装置投用起点高：(95％PID回路投自动)，由于国内装置设备条件差，许多现场表、调节阀达不到条件，需要投入大量的仪表改造费用，每套装置约500万元左右。
传统的PID控制方法通常将装置控制回路看作非时变系统进行算法设计,这样的控制器结构简单,工程实现容易,但现代石油化工装置工艺复杂,目标多样化以及干扰变量的不确定性,使得其控制过程中,尤其是在工艺参数变化大时，输出变化剧烈甚至出现不收敛，为确保装置长期稳定运行，特别需要设计适应能力强、鲁棒性好的控制器。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法，采用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，其步骤如下：
利用自建过程模型实现对装置基本控制回路控制，设计适应能力强、鲁棒性好的控制模块，控制模块不仅能够以真实位号做为参数，亦能使用虚拟变量、虚拟位号以及历史数据做为参数进行调节；
控制模块的PID控制律
式中:e(k)为被测变量的偏差；kp、Ti、Td为PID控制器参数,分别表示比例增益、积分时间常数和微分时间常数；Ts为采样周期；△为微分算子,△＝1-z-1
引入多项式:
则式(1)表示为:
Δu(k)＝L(1)r(k)-L(z-1)y(k) (3)
在控制模块的PID控制律中,控制效果依赖于kp、Ti、Td控制参数的选择,因此参数的自校正整定是非常重要的；根据工艺参数变化规制律和PID控制律的关系,采用PID参数在线整定的自校正方法，确保复杂的工艺情况下，确保回路控制参数好用，回路控制效果好；
为了消除常值扰动,采用PID控制的控制器必须有积分作用；
其中:
为得到PID结构控制律,考虑采用稳态增益S(1)
替代S(z-1),则式(4)表示为:
对比式(3)和式(5),适当选择P(z-1)可使关系式:
成立,使两式具有相同的稳态特性；
令H(z-1)＝G(z-1)P(z-1)＝h0+h1z-1+h2z-2,则由式(6)和式(2)得PID控制器参数计算如下：
经改善后的计算方法，较传统PID从效果上有很大提高。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法，采用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，即改进的PID算法，并且支持虚拟点、虚拟位号、历史数据作为控制手段。并且根据工艺参数变化规制律和PID控制律的关系,采用PID参数在线整定的自校正方法，确保复杂的工艺情况下，确保回路控制参数好用，回路控制效果好；经改善后的计算方法，较传统PID从效果上有很大提高。
其优越性如下：
1、自动化水平提高
先进控制系统投用后，大幅提升了MTBE两套自动化水平，自动控制率全面提高，使两套MTBE装置关键回路的自控率由原来的不足50％，提升到100％，大幅降低了工人劳动强度。
2、工艺参数平稳性大幅提升
而是通过优化控制回路，采用多变量综合控制、多条件共同约束，使得控制效果大幅提升。从源头上改善了装置进料大幅波动情况，同时稳定了醚化反应、催化精馏、甲醇萃取、回收单元的各项工艺参数，有效减少了生产波动，使设备长期保持在最优工况下运行，装置安稳长优平稳生产。
3、经济效益提升
通过工艺参数平稳优化，实现卡边操作，投用前后相比每吨原料加工减少中压蒸汽0.0608吨，循环水13.6吨。全年合计降低能耗248万元。
附图说明
图1为现有DCS控制示意图；
图2为先进控制系统构架图；
图3为先进控制总体控制原理图；
图4为MTBE装置稳定模块催化精馏塔灵敏板温度阶越响应图；
图5a、图5b为灵敏点温度投用前后的对比图。
图6为炼化化工M2装置先进控制投用界面图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5a、5b、6所示，一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法，采用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，其步骤如下：
利用自建过程模型实现对装置基本控制回路控制，设计适应能力强、鲁棒性好的控制模块，控制模块不仅能够以真实位号做为参数，亦能使用虚拟变量、虚拟位号以及历史数据做为参数进行调节；
控制模块的PID控制律
式中:e(k)为被测变量的偏差；kp、Ti、Td为PID控制器参数,分别表示比例增益、积分时间常数和微分时间常数；Ts为采样周期；△为微分算子,△＝1-z-1
引入多项式:
则式(1)表示为:
Δu(k)＝L(1)r(k)-L(z-1)y(k) (3)
在控制模块的PID控制律中,控制效果依赖于kp、Ti、Td控制参数的选择,因此参数的自校正整定是非常重要的；根据工艺参数变化规制律和PID控制律的关系,采用PID参数在线整定的自校正方法，确保复杂的工艺情况下，确保回路控制参数好用，回路控制效果好；
为了消除常值扰动,采用PID控制的控制器必须有积分作用；
其中:
为得到PID结构控制律,考虑采用稳态增益S(1)
替代S(z-1),则式(4)表示为:
对比式(3)和式(5),适当选择P(z-1)可使关系式:
成立,使两式具有相同的稳态特性；
令H(z-1)＝G(z-1)P(z-1)＝h0+h1z-1+h2z-2,则由式(6)和式(2)得PID控制器参数计算如下：
经改善后的计算方法，较传统PID从效果上有很大提高。
其中图1所述的是采用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，利用自建过程模型实现对装置基本控制回路控制，设计适应能力强、鲁棒性好的控制模块；
控制模块不仅能够以真实位号做为参数，亦能使用虚拟变量、虚拟位号以及历史数据做为参数进行调节；打破了DCS、PLC控制系统中固有的控制回路设计方案，更加灵活，优其是在流程复杂、工艺参数耦合性强，大时滞情况下，更实用方便。
其中图2、图3分别为先进控制系统构架图，先进控制总体控制的原理图。
其中图4为MTBE装置稳定模块催化精馏塔灵敏板温度阶越响应图；传统PID因控制器参数固定或无法在线调整,在时变系统的应用中不能满足全程变化的现场工艺要求，采用基于本算法理论的实时参数整定PID控制,能有效防止装置生产过程中工艺参数变化对基本回路的影响,即在复杂环境中,参数变化较大的情况下,控制系统仍能有效抑制超调,保持良好的动态性能及稳态性能。在洛阳炼化宏力化工有限公司MTBE装置应用过程中,控制器具有较强的抗干扰性和快速的响应能力。
其中图5a、图5b为灵敏点温度投用前后的对比图。其中图为DCS操作站上投用前后灵T1501灵敏板温度TIC－1504.PV的趋势图截图。图中曲线为催化精馏塔灵敏板温度TIC-2104.PV曲线图。
其中图6为炼化化工M2装置先进控制系统投用界面图，每个方框都有开关指示灯O符合，指示灯O绿为开，指示灯O红为关。
控制系统第一段
C4进料控制、FQIC-1502_PV:11.3098\日志信息进入控制
甲醇进料控制、FQIC-1504_PV:0.9998\日志信息进入控制
R1501压力控制、PICA-1503_PV:0.5866\日志信息进入控制
T1501进料温度控制、TIC-1501_PV:35.4693\日志信息进入控制；
T1501底液位控制、LICA-1503_PV:69.6499\日志信息进入控制；
T1501灵敏点温度控制、TIC-1504_PV:86.9349\日志信息进入控制；
T1501顶质量控制、FQIC-1507_PV:14.0861\日志信息进入控制；
T1501塔顶压力控制、PICA-1505_PV:0.5013\日志信息进入控制；
MTBE出温装置度控制、TIC-1506_PV:38.7121\日志信息进入控制；
V1503液位控制、LICA-1504_PV:40.8674\日志信息进入控制；
控制系统第二段
T1502界位控制、LICA-1505_PV:40.1978\日志信息进入控制
萃取水流量控制、FQIC-1508_PV:1.6734\日志信息进入控制
T1502进料温度控制、TIC-1508_PV:38.1339\日志信息进入控制；
T1502塔顶压力控制、PICA-1506_PV:0.3508\日志信息进入控制；
V1504液位控制、LICA-1506_PV:40.2674\日志信息进入控制
T1503灵敏点温度控制、TIC-1511D_PV:87.5077\日志信息进入控制；
T1503顶质量控制、FQIC-1509_PV:4.2228\日志信息进入控制；
循环甲醇温度控制、TIC-1513_PV:38.4306\日志信息进入控制；
T1503底水温度控制、TIC-1510_PV:38.3336\日志信息进入控制；
V1505液位控制、LICA-1508_PV:50.2392\日志信息进入控制；T1503底液位控制、LICA-1507_PV:52.1501\日志信息进入控制。

Claims (1)

1.一种智能优化控制稳定控制模块的控制方法，其特征是：用先进控制APC过程中利用过程模型对装置基本回路进行优化的控制方法，以及对联合装置以效益最大化为目标的动态实时的优化，其步骤如下：
利用自建过程模型实现对装置基本控制回路控制，设计控制模块，控制模块以真实位号做为参数，亦能使用虚拟变量、虚拟位号以及历史数据做为参数进行调节；
控制模块的PID控制律
式中:e(k)为被测变量的偏差；kp、T i、Td为PID控制器参数,分别表示比例增益、积分时间常数和微分时间常数；T s为采样周期；△为微分算子,△＝1-z-1
引入多项式:
则式(1)表示为:
Δu(k)＝L(1)r(k)-L(z-1)y(k) (3)
在控制模块的PID控制律中,控制效果依赖于kp、Ti、Td控制参数的选择,因此参数的自校正整定是非常重要的；根据工艺参数变化规制律和PID控制律的关系,采用PID参数在线整定的自校正方法，确保复杂的工艺情况下，确保回路控制参数好用，回路控制效果好；
为消除常值扰动,采用PID控制的控制器有积分作用；
其中:
为得到PID结构控制律,考虑采用稳态增益S(1)
替代S(z-1),则式(4)表示为:
对比式(3)和式(5),适当选择P(z-1)可使关系式:
成立,使两式具有相同的稳态特性；
令H(z-1)＝G(z-1)P(z-1)＝h0+h1z-1+h2z-2,则由式(6)和式(2)得PID控制器参数计算如下：
改善后的计算方法，较传统PID效果有很大提高。
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