間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化

第62卷第10期化工學(xué)報Vol. 62 No. 102011年10月CIESC JournalOctober 2011張研究論文間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化9>33939393楊國軍，李秀喜，陳贊，錢(qián)宇(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州510640)摘要:由于生產(chǎn)過(guò)程中參數的不確定性和各種擾動(dòng)作用，間歇生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)操作條件儒要隨時(shí)作出調整以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和滿(mǎn)足生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。針對間歇生產(chǎn)過(guò)程的操作條件的變化和不確定性因素的影響提出一種應用于間歇生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，其主要構成步驟包括動(dòng)態(tài)模型建立、模型降階、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、在線(xiàn)監測、模型更新和在線(xiàn)調整，并以一個(gè)典型可逆酯化反應為研究對象進(jìn)行方法和理論框架的運用，結果表明本文提出的基于在線(xiàn)測量的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法能夠很好地針對生產(chǎn)過(guò)程中的操作條件變化和不確定性因素的影響，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞:間歌過(guò)程;在線(xiàn)測量;實(shí)時(shí)優(yōu)化;參數不確定性DOI: 10. 3969/j. issn. 0438-1157. 2011. 10. 023中圈分類(lèi)號: TQ 021.8文獻標志碼: A文章編號: 0438- 1157 (2011) 10- 2839- -06Real-time optimization for batch processYANG Guojun, L1 Xiuxi, CHEN Yun, QIAN Yu(School of Chemical Engineering，South China University of Technology , Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: In batch process, with uncertainty stemming from model mismatch and process disturbances, itis not sufficient to determine numerically an optimal solution on the basis of a nominal model and apply itto the process to implement an optimization-based control system. In this paper, a new integratedframework for real-time optimization of batch process with the change of operating condition and parameteruncertainty is presented. It mainly constructs with dynamic modeling, model reduction, dynamicoptimization, on-line measurement, model updating and nonlinear control. And at last, the optimizationstrategy has been applied to a typical scale reversible reaction. The results show the feasibility of theproposed strategy to deal with the change of operating condition and the effect of parameter uncertainty anda significant increase in efficient and quality of the process.Key words: batch process; on-line measurement; real-time optimization; parameter uncertainty化生產(chǎn)為主，然而隨著(zhù)市場(chǎng)環(huán)境的變化以及人們需引]言求的不斷提高，以滿(mǎn)足客戶(hù)性能需求的小容量、高傳統化學(xué)工業(yè)以大宗基礎化學(xué)品的大規模連續附加值的精細或專(zhuān)用化學(xué)品的間歇生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始成2011-07-13收到初稿，2011-07 -23收到修改稿。Received date; 2011 -07- 13.聯(lián)系人:李秀喜.第一作者:楊國軍(1985-)， 男，博士研Corresponding author: LI Xiuxi, associate professor, cexxli@究生。scut. edu. cn基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(20876056, 20906028);Foundation tem: supported by the National Natural Science教育部博士點(diǎn)基金項目(0100102110016); 工業(yè)控制技術(shù)國家重Foundation of中國煤化工’。Ph. D. Programs點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題基金項目(ICT1115).Foundation of NI( 20100172110016)and the Progran:5YHC N M H Gndustial CottrolTechnology (ICT1115)..，2840●化工學(xué)報第62鲞為研究熱點(diǎn)。然而由于這些過(guò)程本身的動(dòng)態(tài)特性以此如何在生產(chǎn)過(guò)程中消除由于參數的不確定性而造及在同一設備上運行不同的生產(chǎn)批次的需要所產(chǎn)生成的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題將是一個(gè)亟待研究的向題([012)2.的各批次之間的操作條件的變化會(huì )帶來(lái)許多安全問(wèn)本文針對間歇過(guò)程中參數不確定性因素的影響提出題以及產(chǎn)品質(zhì)量不高或重復性差等問(wèn)題[。同時(shí)--種實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，集成當前各種先進(jìn)理論和技由于操作過(guò)程中進(jìn)料的變化、過(guò)程參數的不確定術(shù)，針對其中的各種理論和技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以更好地性因素以及各種擾動(dòng)作用都會(huì )導致過(guò)程的操作策滿(mǎn)足間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化的要求，并進(jìn)-步尋找工業(yè)略和操作條件必須實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。而過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化應用過(guò)程會(huì )出現的技術(shù)問(wèn)題并尋求解決方案以進(jìn)化技術(shù)通過(guò)在線(xiàn)監測過(guò)程參數和產(chǎn)品質(zhì)量參數的一步完善各種理論和技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)間歇過(guò)程實(shí)變化而進(jìn)行實(shí)時(shí)的尋找最優(yōu)操作點(diǎn)或軌跡，并控時(shí)優(yōu)化的工業(yè)化進(jìn)程。最后本文以-一個(gè)典型可逆酯制過(guò)程在最優(yōu)操作條件下運行，從而保證產(chǎn)品質(zhì)化反應為案例進(jìn)行應用研究，對所提出的理論進(jìn)行量的最優(yōu)與穩定。因此研究間歇過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化進(jìn)一步的驗證和完善.技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量控制研兗領(lǐng)域的一個(gè)重要研究1實(shí)時(shí)優(yōu)化集成策略課題?；诜€態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化已經(jīng)進(jìn)行了大量的研基于在線(xiàn)測量的實(shí)時(shí)優(yōu)化策略涉及的理論和技究工作，并取得了較好的研究成果，已有許多成功術(shù)主要包括動(dòng)態(tài)建模，動(dòng)態(tài)優(yōu)化理論，在線(xiàn)測量技的工業(yè)應用案例，如Chen等[2]從20世紀80年代.術(shù)和非線(xiàn)性控制技術(shù)，而將這些技術(shù)集成融合并應起就進(jìn)行了大量深人的研究，并應用于乙烯生產(chǎn)的用于過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化將成為間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)能工業(yè)裝置中取得了一.定的效果。Shao 等[3) 提出記否工業(yè)化應用的關(guān)鍵。本文以各種現有理論為基礎憶增強型實(shí)時(shí)操作優(yōu)化，以實(shí)時(shí)操作優(yōu)化中計算的結合工業(yè)實(shí)際提出一種集合理論、實(shí)驗和應用的集反復性和相似性為出發(fā)點(diǎn)，研究充分利用歷史求解成策略，利用實(shí)驗設計方法進(jìn)行間歇過(guò)程建模，其信息有效提高操作優(yōu)化性能的方法等。而針對間歇中包括測試、模型對比和參數校正并不斷地重復步動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化研究仍主要停留在理論探索階驟以得到盡可能符合生產(chǎn)實(shí)際的過(guò)程模型，同時(shí)由段，工業(yè)應用實(shí)施還存在- -定距離，其主要由復雜于最后得到的模型往往比較復雜，對動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法間歇過(guò)程的模型難以建立，動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法不夠成熟是一個(gè)巨大的負擔，因此針對最后得到的準確模型以及非線(xiàn)性控制的工業(yè)化仍存在諸多不足等困難因需要進(jìn)行一定的降階處理以保證實(shí)時(shí)優(yōu)化的時(shí)效素導致，這些也是目前國內外研究人員研究的主要性，具體過(guò)程如圖1.內容。如劉興高等(4]、陳德釗等[5]在動(dòng)態(tài)優(yōu)化方面( experiment]_ preliminarymodeI pararmeter做了大量的研究工作，王樹(shù)青等[6)在過(guò)程控制、非I discrimination precision線(xiàn)性控制方面進(jìn)行了較深人的研究并取得了一系列model reduction的研究成果。然而由于動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化涉及的理論和技術(shù)比較多，包括動(dòng)態(tài)過(guò)程建模、動(dòng)態(tài)數據校( validated model)正、在線(xiàn)監測、動(dòng)態(tài)優(yōu)化和非線(xiàn)性控制等1[:4),而[model其中各個(gè)理論的發(fā)展又相對比較獨立，理論算法和技術(shù)的不平衡或者不兼容導致目前仍缺乏針對動(dòng)態(tài)圖1間歇過(guò)程建模策略過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化的比較有效的并且較一般性的理論和Fig 1 Model-building strategy for batch process方法，因此綜合各種有效的理論方法和技術(shù)提出一在得到過(guò)程模型后，以工業(yè)應用為平臺建立間個(gè)針對間歇過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化策略和框架，不僅有歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，以實(shí)際過(guò)程和過(guò)程模型為中利于促進(jìn)各個(gè)理論有效合理的發(fā)展，還能更加直心，利用在線(xiàn)測量、動(dòng)態(tài)數據校正和參數估計等技接地促進(jìn)間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化術(shù)將實(shí)際過(guò)程和模型連接起來(lái)，主要利用過(guò)程測量應用。數據進(jìn)行模型參數的實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)優(yōu)化針對模型在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，許多過(guò)程參數往往難于獲進(jìn)行控制，.中國煤化工至模型預測控得準確的值，特別是間歇生產(chǎn)過(guò)程，由于其本身的制，模型預MHCNMHG過(guò)程進(jìn)行跟蹤動(dòng)態(tài)特性使得過(guò)程參數在過(guò)程中產(chǎn)生波動(dòng)變化，因控制，如圖2。第10期楊國軍等:間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化●2841●parameter update2.2模型降階模型降階方法主要通過(guò)將B、C、D分別用物model predictivebatch process toff-linecontrol料A的溶度表示以減少過(guò)程模型數量，首先由式optimization(3) 可以得到real-time updatingmeasurement on-!ine:data estimateiationVdCs+co __ bR,v(8)model update將式(2)代人式(8)得Hdynamic optimization- model tVdCi+c。d= b d(VCA_ bFc,(9)圖2間歇過(guò)程實(shí)時(shí) 優(yōu)化策略dFig.2 Real- time optimization strategy for batch process并由式(9)兩邊進(jìn)行從0到t的積分得C。-VCw+皇(C.-VCm-C+￥cr) (10)2動(dòng)態(tài)過(guò)程建模同理可得2.1動(dòng)態(tài)模型Cc= Vco-&(c.-Vcw-G+Xc,) (11)以一間歇可逆反應為案例: aA+bB= >xcC +dD,其示意圖如圖3。C=Vc∞-∈(c-￥Cw-Cr+YCr) (12)feedF Cp將式(10)~式(12)代人式(7)得reactionR = R(T,CA,V)(13)最終化簡(jiǎn)后得模型方程為(14)([V:]-['F設x=VCA，xz=V,最終可得降階的模型方程為,cooling, jacket(15)&[2]-[-Rs+C.F]jacket coolant outjacket coolant inC。Vr式中Cao為反應器中 A物質(zhì)的初始濃度，V。為反應器中溶液初始體積。圖3間歇過(guò)程示意圖B動(dòng)態(tài)優(yōu)化Fig.3 Schematic diagram of batch reactor3.1優(yōu)化模型物料平衡優(yōu)化目標為產(chǎn)物溶度最大或者反應物溶度最(1)小，由兩部分組成，-部分為從開(kāi)始(t=0)到當d(VCA=R,V+ FC,(2)前t時(shí)刻的測量值，另一部分為從當前t時(shí)刻至結di東tp時(shí)刻的預測值，具體表述為:d(VCg)但=- bRAV(3)目標函數dtd(VCc)_ LR,Vmin] = ]r<()d+ ["*x{()dt(16)it模型:式(9)和式(2)d(VCo)= LR,v5)狀態(tài)約束能量平衡出咖≤刈≤xm，2,m≤η≤I2.m出一號(T,-D+ HR+A