化工過程模擬與計算(第2章)

1、第第2 2章章化工過程模擬及相關(guān)高新技術(shù)化工過程模擬及相關(guān)高新技術(shù)1課程內(nèi)容課程內(nèi)容2.1 化工過程模擬化工過程模擬2.2 化工過程先進(jìn)控制化工過程先進(jìn)控制2.3 化工過程模實時優(yōu)化化工過程模實時優(yōu)化2.4 四項高新技術(shù)之間的關(guān)系和效益四項高新技術(shù)之間的關(guān)系和效益22.1 化工過程動態(tài)模擬化工過程動態(tài)模擬二、動態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域二、動態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域一、概述一、概述三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同31 1、引起化工過程動態(tài)變化的因素：、引起化工過程動態(tài)變化的因素：一、概述一、概述(1)(1)計劃內(nèi)的變更：計劃

2、內(nèi)的變更：如原料的批次，計劃內(nèi)的高負(fù)荷或減負(fù)荷，如原料的批次，計劃內(nèi)的高負(fù)荷或減負(fù)荷，設(shè)備的定期切換等設(shè)備的定期切換等(2)(2)事物本身的不穩(wěn)定性：事物本身的不穩(wěn)定性：如同一批次原料質(zhì)量的差異與波動，如同一批次原料質(zhì)量的差異與波動，催化劑活性的降低。催化劑活性的降低。(3)(3)意外事故，設(shè)備故障，人為的誤操作等；意外事故，設(shè)備故障，人為的誤操作等；(4)(4)裝置的開停車。裝置的開停車。原有穩(wěn)態(tài)與平衡破壞，系統(tǒng)向著新的平衡發(fā)展。原有穩(wěn)態(tài)與平衡破壞，系統(tǒng)向著新的平衡發(fā)展。42、動態(tài)變化中最為關(guān)心的問題：、動態(tài)變化中最為關(guān)心的問題：（1）波動對整個系統(tǒng)產(chǎn)生多大的影響？產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量有波動對整個

3、系統(tǒng)產(chǎn)生多大的影響？產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量有多大波動？多大波動？（2）有無發(fā)生危險的可能？可能會導(dǎo)致哪些危害，危害程有無發(fā)生危險的可能？可能會導(dǎo)致哪些危害，危害程度如何？度如何？（3）一旦產(chǎn)生波動或事故，應(yīng)當(dāng)如何處理、調(diào)整？最恰當(dāng)一旦產(chǎn)生波動或事故，應(yīng)當(dāng)如何處理、調(diào)整？最恰當(dāng)?shù)拇胧?、步驟？的措施、步驟？（4）干擾波動的持續(xù)時間多長？克服之使之恢復(fù)正常又需干擾波動的持續(xù)時間多長？克服之使之恢復(fù)正常又需多久？多久？（5）開停車的最佳策略。開停車的最佳策略。5二、動態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域二、動態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域（一）動態(tài)特性研究（一）動態(tài)特性研究1 1、內(nèi)容：、內(nèi)容：研究過程參數(shù)隨時間變化的規(guī)律

4、，從而得到有關(guān)過研究過程參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，從而得到有關(guān)過程的正確的設(shè)計方案或操作步驟。程的正確的設(shè)計方案或操作步驟。2 2、作用：、作用：應(yīng)用動態(tài)模擬可以更全面、正確的認(rèn)識一個化工過應(yīng)用動態(tài)模擬可以更全面、正確的認(rèn)識一個化工過程，預(yù)測某一個波動或干擾發(fā)生時系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化。程，預(yù)測某一個波動或干擾發(fā)生時系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化。3 3、例子：、例子：在固定床，催化劑條件下的甲烷化反應(yīng)，進(jìn)料為在固定床，催化劑條件下的甲烷化反應(yīng)，進(jìn)料為50%50%的合成氣和的合成氣和50%50%的水蒸氣。的水蒸氣。6120612507（二）開停車指導(dǎo)（二）開停車指導(dǎo)1 1、開停車的重要性、開停車的重要性大型石

5、化裝置，每開停車一次損失為幾十萬甚至幾百萬元。大型石化裝置，每開停車一次損失為幾十萬甚至幾百萬元。2 2、動態(tài)模擬對開停車的重要指導(dǎo)作用：、動態(tài)模擬對開停車的重要指導(dǎo)作用：（1 1）縮短開停車時間，盡快達(dá)到穩(wěn)定操作狀態(tài)或安全停車；）縮短開停車時間，盡快達(dá)到穩(wěn)定操作狀態(tài)或安全停車；（2 2）降低物耗、能耗，減少開停車損耗；）降低物耗、能耗，減少開停車損耗；（3 3）避免可能產(chǎn)生的誤操作或事故；）避免可能產(chǎn)生的誤操作或事故；（4 4）減少不合格產(chǎn)品；）減少不合格產(chǎn)品；（5 5）保證開停車過程順利進(jìn)行；）保證開停車過程順利進(jìn)行；（6 6）取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。）取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。8（三）動態(tài)仿真操作工培

6、訓(xùn)系統(tǒng)（三）動態(tài)仿真操作工培訓(xùn)系統(tǒng)（四）先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計工具（四）先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計工具 建立動態(tài)仿真系統(tǒng)是動態(tài)模擬的重要用途；建立動態(tài)仿真系統(tǒng)是動態(tài)模擬的重要用途； 動態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動干擾引起的變化；動態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動干擾引起的變化； 先進(jìn)控制：起源于先進(jìn)控制：起源于2020世紀(jì)世紀(jì)7070年；年； 過程控制技術(shù)：過程控制技術(shù)： 20 20世紀(jì)世紀(jì)9090年；年； 過程控制技術(shù)必要條件：過程的動態(tài)特性過程控制技術(shù)必要條件：過程的動態(tài)特性9三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代初期：年代初期：動態(tài)研究報道，丁二烯抽提裝置開動態(tài)研究報道，

7、丁二烯抽提裝置開車。專業(yè)型車。專業(yè)型 8080年代：通用型商品化的動態(tài)模擬軟件；美國的普度大年代：通用型商品化的動態(tài)模擬軟件；美國的普度大學(xué)的學(xué)的BOSSBOSS；英國劍橋的；英國劍橋的QUASLINQUASLIN。 9090年代中期：年代中期：加拿大加拿大HyprotechHyprotech公司推出動態(tài)模擬軟件公司推出動態(tài)模擬軟件HYSISHYSIS，同時兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的功能。，同時兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的功能。 模擬軟件推出的基礎(chǔ)：模擬軟件推出的基礎(chǔ)：機(jī)理模型機(jī)理模型10四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同穩(wěn)態(tài)模擬穩(wěn)態(tài)模擬動態(tài)模擬動態(tài)模擬僅有代數(shù)方程僅有代數(shù)方程

8、同時有微分方程和代數(shù)方程同時有微分方程和代數(shù)方程物料平衡用代數(shù)方程描述物料平衡用代數(shù)方程描述物料平衡用微分方程描述物料平衡用微分方程描述能量平衡用代數(shù)方程描述能量平衡用代數(shù)方程描述能量平衡用微分方程描述能量平衡用微分方程描述嚴(yán)格的熱力學(xué)方法嚴(yán)格的熱力學(xué)方法嚴(yán)格的熱力學(xué)方法嚴(yán)格的熱力學(xué)方法無水力學(xué)限制無水力學(xué)限制有水力學(xué)限制有水力學(xué)限制無控制器無控制器有控制器有控制器112.2 化工過程先進(jìn)控制化工過程先進(jìn)控制一、概述一、概述12二、先進(jìn)控制和二、先進(jìn)控制和DCSDCS（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別三、先進(jìn)控制的特點三、先進(jìn)控制的特點四、多變量預(yù)估控制的執(zhí)行步驟

9、四、多變量預(yù)估控制的執(zhí)行步驟五、先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益五、先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益六、國外發(fā)展概況六、國外發(fā)展概況七、先進(jìn)控制實施的外部條件七、先進(jìn)控制實施的外部條件2.2 化工過程先進(jìn)控制化工過程先進(jìn)控制一、概述一、概述131、化工過程控制的巨大變化：、化工過程控制的巨大變化：硬件：硬件：手動閥門手動閥門自動控制閥自動控制閥PID控制器控制器（比例（比例- -積積分分- -微分控制器微分控制器）集散型控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)（DCS）計算機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件：軟件：填充式的控制軟件填充式的控制軟件新的數(shù)據(jù)庫軟件新的數(shù)據(jù)庫軟件新的改新的改進(jìn)了的優(yōu)化算法進(jìn)了的優(yōu)化算法基于模型的多變量預(yù)估控制軟件基

10、于模型的多變量預(yù)估控制軟件142 2、典型化工裝置的生產(chǎn)操作特性、典型化工裝置的生產(chǎn)操作特性( (常規(guī)控制手段下常規(guī)控制手段下) )：（1 1）對動態(tài)反應(yīng)存在實質(zhì)性的時間延遲和滯后；）對動態(tài)反應(yīng)存在實質(zhì)性的時間延遲和滯后；（2 2）要求控制的變量未能在線檢測；）要求控制的變量未能在線檢測；（3 3）非線性動態(tài)響應(yīng)；）非線性動態(tài)響應(yīng)；（4 4）相互耦合；）相互耦合；（5 5）存在約束；）存在約束；（6 6）存在大的外部干擾。）存在大的外部干擾。153 3、基本操作系統(tǒng)的弊端：、基本操作系統(tǒng)的弊端：1 1）DCSDCS控制器的基礎(chǔ)的常規(guī)算法是控制器的基礎(chǔ)的常規(guī)算法是PIDPID算法，這種算法，這種

11、算法對于具有較大滯后的回路其效果很差。算法對于具有較大滯后的回路其效果很差。2 2）控制變量對于操作變量的改變而引起的響應(yīng)經(jīng)常）控制變量對于操作變量的改變而引起的響應(yīng)經(jīng)常是非線性的。是非線性的。3 3）化工過程操作的疊加的結(jié)果使得化工裝置的某部）化工過程操作的疊加的結(jié)果使得化工裝置的某部分難以控制，即使采用標(biāo)準(zhǔn)控制器和標(biāo)準(zhǔn)方法。分難以控制，即使采用標(biāo)準(zhǔn)控制器和標(biāo)準(zhǔn)方法。二、先進(jìn)控制和二、先進(jìn)控制和DCSDCS（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別161 1、先進(jìn)控制的歷史、先進(jìn)控制的歷史 先進(jìn)控制理論先進(jìn)控制理論2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代初提出；年代初提出； 工業(yè)上

12、的最初應(yīng)用始于工業(yè)上的最初應(yīng)用始于7070年代末；年代末； 9090年代以來，先進(jìn)控制的工業(yè)應(yīng)用獲得了蓬勃發(fā)展，獲年代以來，先進(jìn)控制的工業(yè)應(yīng)用獲得了蓬勃發(fā)展，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益，大量工業(yè)裝置紛紛在已有的得巨大經(jīng)濟(jì)效益，大量工業(yè)裝置紛紛在已有的DCSDCS的基的基礎(chǔ)上配備了先進(jìn)控制系統(tǒng)。礎(chǔ)上配備了先進(jìn)控制系統(tǒng)。 2121世紀(jì)，先進(jìn)控制技術(shù)在許多方面發(fā)展十分成熟：世紀(jì)，先進(jìn)控制技術(shù)在許多方面發(fā)展十分成熟： 各種多變量預(yù)估控制的理論基礎(chǔ)已被廣泛認(rèn)同；各種多變量預(yù)估控制的理論基礎(chǔ)已被廣泛認(rèn)同； 多變量預(yù)估控制涉及的范圍不斷地擴(kuò)充；多變量預(yù)估控制涉及的范圍不斷地擴(kuò)充； 多變量預(yù)估控制軟件包不斷涌現(xiàn)；多變量

13、預(yù)估控制軟件包不斷涌現(xiàn)； 大量的先進(jìn)控制正在在各種工業(yè)裝置中實施。大量的先進(jìn)控制正在在各種工業(yè)裝置中實施。172 2、實際上，眾多過程變量之間的相互影響是必然、實際上，眾多過程變量之間的相互影響是必然的，操作變化和控制變化之間的關(guān)系如圖的，操作變化和控制變化之間的關(guān)系如圖2-32-3183 3、DCSDCS的缺點：的缺點：（7070年代初進(jìn)入工業(yè)裝置）年代初進(jìn)入工業(yè)裝置） 基本不考慮變量之間的相互影響，將基本不考慮變量之間的相互影響，將操作變量操作變量（manipulated variable ,manipulated variable ,MVMV）和）和控制變量控制變量（controlled

14、 controlled variablevariable，CVCV）之間的關(guān)系設(shè)定為一一對應(yīng)的關(guān)系。）之間的關(guān)系設(shè)定為一一對應(yīng)的關(guān)系。 一一對應(yīng)的關(guān)系忽略了變量之間的耦合關(guān)系，不能反一一對應(yīng)的關(guān)系忽略了變量之間的耦合關(guān)系，不能反映裝置的實際情況，因此難以真正實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控映裝置的實際情況，因此難以真正實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控制。制。19三個彼此獨立的控制回路：三個彼此獨立的控制回路：1 1）調(diào)節(jié)回流量（）調(diào)節(jié)回流量（FCFC）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；2 2）通過調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力差（）通過調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力差（ PCPC）控制塔頂壓力；）控制塔頂壓力；3 3）通過調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來控制

15、塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。）通過調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來控制塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。如：塔釜加熱量的變化，其如：塔釜加熱量的變化，其影響經(jīng)過一段時間，必然會影響經(jīng)過一段時間，必然會到塔頂，引起塔頂產(chǎn)品質(zhì)量到塔頂，引起塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的變化，對于傳統(tǒng)的的變化，對于傳統(tǒng)的DCS控控制方法，只有等到這一刻，制方法，只有等到這一刻，塔頂控制器才能動作調(diào)節(jié)流塔頂控制器才能動作調(diào)節(jié)流量。量。精餾塔的傳統(tǒng)控制理論：精餾塔的傳統(tǒng)控制理論：20精餾塔的先進(jìn)控制理論：精餾塔的先進(jìn)控制理論：先進(jìn)控制包：所有控制變化的變化（塔頂、塔釜產(chǎn)品質(zhì)量先進(jìn)控制包：所有控制變化的變化（塔頂、塔釜產(chǎn)品質(zhì)量波動、塔內(nèi)壓力差），考慮波動、塔內(nèi)壓力差），考

16、慮操作變量操作變量對不同控制影響的大對不同控制影響的大小，通過模型的預(yù)估計算，分別得到對塔頂回流量，塔頂小，通過模型的預(yù)估計算，分別得到對塔頂回流量，塔頂壓力及再沸器加熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)值。壓力及再沸器加熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)值。由先進(jìn)控制包發(fā)出信由先進(jìn)控制包發(fā)出信號，同時進(jìn)行調(diào)節(jié)。號，同時進(jìn)行調(diào)節(jié)。三、先進(jìn)控制的特點三、先進(jìn)控制的特點1 1、控制性能、控制性能21u先進(jìn)控制技術(shù)能夠提供遠(yuǎn)比傳統(tǒng)控制先進(jìn)控制技術(shù)能夠提供遠(yuǎn)比傳統(tǒng)控制PIDPID控制好得多的控控制好得多的控制性能：制性能：1 1）它能處理多輸入、多輸出的控制問題。）它能處理多輸入、多輸出的控制問題。2 2）它可以處理）它可以處理PIDPI

17、D難以處理的難以處理的“慢動作慢動作”的工藝過程。的工藝過程。（ PID PID 適用于適用于“快動作快動作”控制回路，如溫度、壓力流控制回路，如溫度、壓力流量）。量）。3）由于其預(yù)估特性，可以有效地控制具有較大的純滯后或由于其預(yù)估特性，可以有效地控制具有較大的純滯后或時間常數(shù)回路。時間常數(shù)回路。4）不僅計算控制器當(dāng)前的一組設(shè)定值，而且要計算將來的不僅計算控制器當(dāng)前的一組設(shè)定值，而且要計算將來的若干組設(shè)定值，這樣可有效確定預(yù)期的、將來的控制器設(shè)若干組設(shè)定值，這樣可有效確定預(yù)期的、將來的控制器設(shè)定值，保證不違反所有的約束條件。定值，保證不違反所有的約束條件。22u 卡邊控制卡邊控制先進(jìn)控制從整體

18、上提高了裝置的控制水平，使控制變量先進(jìn)控制從整體上提高了裝置的控制水平，使控制變量的波動更小，操作更加平穩(wěn)的波動更小，操作更加平穩(wěn)控制變量波動的平均值將更貼近規(guī)定的控制變量波動的平均值將更貼近規(guī)定的工藝規(guī)定或約束工藝規(guī)定或約束條件（是否合理，不是先進(jìn)控制的任務(wù)）條件（是否合理，不是先進(jìn)控制的任務(wù)）。帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益23u 卡邊控制卡邊控制242 2、先進(jìn)控制的核心是多變量預(yù)估控制、先進(jìn)控制的核心是多變量預(yù)估控制先進(jìn)控制軟件根據(jù)裝置的實時數(shù)據(jù)，采用多變量模型先進(jìn)控制軟件根據(jù)裝置的實時數(shù)據(jù)，采用多變量模型預(yù)估計算，計算出最優(yōu)的設(shè)定值，送往控制器執(zhí)行。預(yù)估計算，計算出最優(yōu)的設(shè)定值

19、，送往控制器執(zhí)行。3 3、控制范圍、控制范圍多變量預(yù)估控制使得控制整個裝置成為可能，可控制整個裝多變量預(yù)估控制使得控制整個裝置成為可能，可控制整個裝置的所有變量。置的所有變量。4 4、顯著的經(jīng)濟(jì)效益、顯著的經(jīng)濟(jì)效益先進(jìn)控制可使裝置在最大經(jīng)濟(jì)效益的條件下操作：最大的產(chǎn)量、先進(jìn)控制可使裝置在最大經(jīng)濟(jì)效益的條件下操作：最大的產(chǎn)量、最大的轉(zhuǎn)化率和最低的裝置操作費用。最大的轉(zhuǎn)化率和最低的裝置操作費用。255 5、在各種條件下均有較高的在線因子、在各種條件下均有較高的在線因子通常是通常是95%95%或更高?；蚋摺? 6、維護(hù)工作量較小、維護(hù)工作量較小先進(jìn)控制具有很高的魯棒性，且各項技術(shù)都納入一個統(tǒng)一的軟

20、先進(jìn)控制具有很高的魯棒性，且各項技術(shù)都納入一個統(tǒng)一的軟件包，便于運行和安裝。件包，便于運行和安裝。魯棒性魯棒性/抗變換性抗變換性（英文：英文：robustness）原是）原是統(tǒng)計學(xué)統(tǒng)計學(xué)中的一中的一個專門術(shù)語，個專門術(shù)語，20世世紀(jì)紀(jì)70年代初開始在年代初開始在控制理論控制理論的研究中流行起的研究中流行起來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)擾動擾動的的不敏感性不敏感性。267 7、投資回收期短、投資回收期短投資回收期都在半年到一年之間，裝置的規(guī)模越大，投資回收期都在半年到一年之間，裝置的規(guī)模越大，效益越明顯。效益越明顯。四、多變量預(yù)估控制的執(zhí)行步驟四、多變量預(yù)估控制

21、的執(zhí)行步驟1 1、預(yù)估計算、預(yù)估計算利用裝置的動態(tài)模型和當(dāng)前裝置的工藝參數(shù)，計算出控制變利用裝置的動態(tài)模型和當(dāng)前裝置的工藝參數(shù)，計算出控制變量，如產(chǎn)品組成、溫度等的預(yù)期的變化值。量，如產(chǎn)品組成、溫度等的預(yù)期的變化值。2 2、最優(yōu)目標(biāo)計算最優(yōu)目標(biāo)計算27利用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒?，如線性規(guī)劃，確定符合所有約束的最利用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒?，如線性規(guī)劃，確定符合所有約束的最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工藝條件。優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工藝條件。283 3、控制設(shè)定值計算、控制設(shè)定值計算 基于預(yù)估的控制變量的基于預(yù)估的控制變量的預(yù)期軌跡預(yù)期軌跡以及根據(jù)以及根據(jù)線性規(guī)劃線性規(guī)劃得到的得到的最優(yōu)控制目標(biāo)最優(yōu)控制目標(biāo)，計算出各個操作變量的預(yù)期的設(shè)定值的最，

22、計算出各個操作變量的預(yù)期的設(shè)定值的最佳組合。佳組合。 通過操作變量的調(diào)整，驅(qū)動裝置朝所希望的操作區(qū)域移動，通過操作變量的調(diào)整，驅(qū)動裝置朝所希望的操作區(qū)域移動，而不違反所有的約束條件，或者操作變量的極限值。而不違反所有的約束條件，或者操作變量的極限值。294 4、執(zhí)行過程、執(zhí)行過程 第一組預(yù)期的操作變量設(shè)定值付諸實施后，每一次執(zhí)行多第一組預(yù)期的操作變量設(shè)定值付諸實施后，每一次執(zhí)行多變量預(yù)估控制時，控制變量的預(yù)估值都要采用當(dāng)前的裝置變量預(yù)估控制時，控制變量的預(yù)估值都要采用當(dāng)前的裝置測量進(jìn)行計算和予以更新，以保證多變量預(yù)估控制和實際測量進(jìn)行計算和予以更新，以保證多變量預(yù)估控制和實際裝置的一致性。裝置

23、的一致性。五、先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益五、先進(jìn)控制的經(jīng)濟(jì)效益30 先進(jìn)控制務(wù)必在先進(jìn)控制務(wù)必在DCSDCS的基礎(chǔ)上方能實施，各種不同石油的基礎(chǔ)上方能實施，各種不同石油化工裝置實施先進(jìn)控制后，其凈增（含實時優(yōu)化）見下化工裝置實施先進(jìn)控制后，其凈增（含實時優(yōu)化）見下表表2-22-2裝置裝置規(guī)模（萬噸規(guī)模（萬噸/年）年）年凈增效益年凈增效益/萬美元萬美元常減壓常減壓750225-450催化裂化催化裂化370420-1050催化重整催化重整215150-450加氫裂化加氫裂化265225-450烷基化烷基化130135-315延遲焦化延遲焦化212144-480異構(gòu)化異構(gòu)化15550-150乙烯乙烯4530

24、0-50031六、國外發(fā)展概況六、國外發(fā)展概況1 1、美國（、美國（19961996年之前）年之前）SetpointSetpoint公司的公司的SMCASMCADynamic Matrix ControlDynamic Matrix Control公司的公司的DMCDMC1996年年Aspen Tech公司收購公司收購Aspen Tech公司：公司：p 軟件軟件DMC Plus融合上述融合上述2個軟件的優(yōu)點，個軟件的優(yōu)點，p 1997年底，全世界實施先進(jìn)控制的項目有年底，全世界實施先進(jìn)控制的項目有1500套，套， Aspen Tech完成了完成了1050套，占套，占70%。p 全世界最大的五套

25、催化裂化裝置全部采用的全世界最大的五套催化裂化裝置全部采用的Aspen Tech的的DMC技術(shù)。技術(shù)。1998年加拿大年加拿大Treiber Control公司公司32SetpointSetpoint公司：公司： 成立于成立于19771977年年 曾承擔(dān)過大量石油化工裝置的先進(jìn)控制項目的設(shè)計工曾承擔(dān)過大量石油化工裝置的先進(jìn)控制項目的設(shè)計工作。作。 特點：工程經(jīng)驗豐富，工程業(yè)績遍及全世界特點：工程經(jīng)驗豐富，工程業(yè)績遍及全世界 最早進(jìn)入中國的過程控制公司，中國有多套由它設(shè)計最早進(jìn)入中國的過程控制公司，中國有多套由它設(shè)計的先進(jìn)控制在運行。的先進(jìn)控制在運行。33Dynamic Matrix Contr

26、olDynamic Matrix Control公司：公司：19841984年創(chuàng)辦。年創(chuàng)辦。創(chuàng)辦人：創(chuàng)辦人：Dr. Charlie CulterDr. Charlie Culter，先進(jìn)控制理論創(chuàng)始人之一。，先進(jìn)控制理論創(chuàng)始人之一。該公司長期從事動態(tài)矩陣控制軟件的研究和應(yīng)用，其軟該公司長期從事動態(tài)矩陣控制軟件的研究和應(yīng)用，其軟件的高品質(zhì)和先進(jìn)控制的高性能吸引了大量的客戶，至件的高品質(zhì)和先進(jìn)控制的高性能吸引了大量的客戶，至19941994年，已經(jīng)實施了年，已經(jīng)實施了500500多個先進(jìn)控制項目。多個先進(jìn)控制項目。342 2、英國、英國 Predictive Control Ltd.Predict

27、ive Control Ltd.公司成立于公司成立于19881988年；年； 專門從事先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計；專門從事先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計； 有名的控制軟件包有名的控制軟件包：CONNOISSEUR。3 3、美國、美國HoneywellHoneywell公司公司 原是著名原是著名 的的DCSDCS的供應(yīng)商；的供應(yīng)商； 近年來向著先進(jìn)控制和實時優(yōu)化的方向發(fā)展。近年來向著先進(jìn)控制和實時優(yōu)化的方向發(fā)展。 兼并了美國的兼并了美國的Profimatics公司，先進(jìn)控制業(yè)務(wù)有較大發(fā)公司，先進(jìn)控制業(yè)務(wù)有較大發(fā)展。展。 有部門專門從事先進(jìn)控制和優(yōu)化業(yè)務(wù)，推出工廠一體化有部門專門從事先進(jìn)控制和優(yōu)化業(yè)務(wù)，推出工廠一體化

28、化解決方案（化解決方案（TPS）由先進(jìn)控制包和實時優(yōu)化包兩部分）由先進(jìn)控制包和實時優(yōu)化包兩部分組成。組成。35七、先進(jìn)控制實施的外部條件七、先進(jìn)控制實施的外部條件 多專業(yè)、多學(xué)科的緊密合作；多專業(yè)、多學(xué)科的緊密合作； 要求工作人員具備豐富的工程能力和經(jīng)驗。要求工作人員具備豐富的工程能力和經(jīng)驗。 由工藝專家和自控專家共同合作完成；由工藝專家和自控專家共同合作完成； 公司技術(shù)人員應(yīng)具備化工背景。公司技術(shù)人員應(yīng)具備化工背景。2.3 化工過程模實時優(yōu)化化工過程模實時優(yōu)化一、一、 概述概述二、實時優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能二、實時優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖四、

29、實時優(yōu)化的方程組集形式四、實時優(yōu)化的方程組集形式五、實時優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)五、實時優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)3637一、一、 概述概述 先進(jìn)控制：先進(jìn)控制： 解決的是給定的設(shè)定值下裝置的平穩(wěn)操作問題解決的是給定的設(shè)定值下裝置的平穩(wěn)操作問題 不負(fù)責(zé)各個設(shè)定值是否最佳工藝條件，是否有最大經(jīng)不負(fù)責(zé)各個設(shè)定值是否最佳工藝條件，是否有最大經(jīng)濟(jì)效益。濟(jì)效益。 實時優(yōu)化的誕生：實時優(yōu)化的誕生： 實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到原料和公用工程條件的變化。實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到原料和公用工程條件的變化。（與原來設(shè)計不同）（與原來設(shè)計不同） 工藝調(diào)整必然性：催化劑的老化、換熱器結(jié)垢、設(shè)備工藝調(diào)整必然性：催化劑的老化、換熱器結(jié)垢、設(shè)備狀況變差的

30、情況，需要適時調(diào)整工藝。狀況變差的情況，需要適時調(diào)整工藝。 現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)要求整個裝置經(jīng)濟(jì)效益最大，要求現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)要求整個裝置經(jīng)濟(jì)效益最大，要求在給定約束條件下，按照適時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個在給定約束條件下，按照適時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個工藝參數(shù)的匹配，并隨時適時優(yōu)化控制。工藝參數(shù)的匹配，并隨時適時優(yōu)化控制。38 大型工業(yè)裝置的實時優(yōu)化應(yīng)該是在線、閉環(huán)實時優(yōu)化。大型工業(yè)裝置的實時優(yōu)化應(yīng)該是在線、閉環(huán)實時優(yōu)化。 在線：在線：優(yōu)化系統(tǒng)和裝置的控制系統(tǒng)相連，隨時根據(jù)實時數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)和裝置的控制系統(tǒng)相連，隨時根據(jù)實時數(shù)據(jù)執(zhí)行有關(guān)的計算。據(jù)執(zhí)行有關(guān)的計算。 閉環(huán)：閉環(huán)：優(yōu)化系統(tǒng)的計算結(jié)果傳送到控制系

31、統(tǒng)，控制系統(tǒng)不優(yōu)化系統(tǒng)的計算結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不想按照優(yōu)化結(jié)果實施控制。想按照優(yōu)化結(jié)果實施控制。 實時優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。實時優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。39 實時優(yōu)化的發(fā)展：實時優(yōu)化的發(fā)展： 20世紀(jì)世紀(jì)90年代成為熱點。年代成為熱點。 Aspen Tech公司的公司的RT-OPT較著名較著名基于方程的?；诜匠痰哪Ｐ徒M集，圖形界面與其穩(wěn)定模擬軟件型組集，圖形界面與其穩(wěn)定模擬軟件ASPEN PLUS兼容。兼容。 Dynamic Matrix ControlDynamic Matrix Control公司的公司的DMODMO聲譽較高；聲譽較高； Simulation Scie

32、ncesSimulation Sciences公司公司ROMEOROMEO在原有優(yōu)化軟件在原有優(yōu)化軟件ROMROM的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的；的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的； HoneywellHoneywell公司的公司的TPS ProfitMaxTPS ProfitMax也有比較多的客戶。也有比較多的客戶。40二、實時優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能二、實時優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能 主要用于解決裝置一級的過程優(yōu)化問題，通常這些都是大主要用于解決裝置一級的過程優(yōu)化問題，通常這些都是大型、非線性過程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達(dá)型、非線性過程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達(dá)2020萬個或者萬個或者更多，實時優(yōu)化的主要功能：更多，實

33、時優(yōu)化的主要功能：（1）定期自動更新關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定值，使整個裝置達(dá)到）定期自動更新關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定值，使整個裝置達(dá)到總體經(jīng)濟(jì)效益最大；總體經(jīng)濟(jì)效益最大；（2）對于原料、公用工程以及設(shè)備等的變化及時作出響應(yīng)，）對于原料、公用工程以及設(shè)備等的變化及時作出響應(yīng)，保證整個裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運行；保證整個裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運行；41（5）監(jiān)督設(shè)備性能；）監(jiān)督設(shè)備性能；（6）早期識別操作中的問題。）早期識別操作中的問題。（3）當(dāng)產(chǎn)品、原料的價格等因素發(fā)生變化時，及時對有關(guān)工）當(dāng)產(chǎn)品、原料的價格等因素發(fā)生變化時，及時對有關(guān)工藝參數(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)量作出調(diào)整，保證在變化的情況下，裝置的藝參數(shù)

34、和產(chǎn)品產(chǎn)量作出調(diào)整，保證在變化的情況下，裝置的總體經(jīng)濟(jì)效益最大；總體經(jīng)濟(jì)效益最大；（4）實時優(yōu)化的下層功能是先進(jìn)控制，一般，通過實時優(yōu)化）實時優(yōu)化的下層功能是先進(jìn)控制，一般，通過實時優(yōu)化得到的新的決策變量將直接傳送給先進(jìn)控制的操作變量，從得到的新的決策變量將直接傳送給先進(jìn)控制的操作變量，從而實現(xiàn)實時優(yōu)化控制。而實現(xiàn)實時優(yōu)化控制。42三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖u判據(jù)：系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進(jìn)入等待狀態(tài)，斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進(jìn)入等待狀態(tài)，過一定時間后再重新開始

35、。過一定時間后再重新開始。u數(shù)據(jù)核實階段：系統(tǒng)接收裝置的測量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)核實，將數(shù)據(jù)分為壞、不合理和合理的三類，分別給予不同處理 數(shù)據(jù)核實階段的主要任務(wù)：探測過失誤差。u數(shù)據(jù)校正： 進(jìn)行裝置的穩(wěn)態(tài)模擬，目標(biāo)函數(shù)是使實際裝置的測量數(shù)據(jù)和模型計算值的差值的平方和最小。43數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)模擬裝置模型參數(shù)是否符裝置模型參數(shù)是否符合裝置實際生產(chǎn)情況合裝置實際生產(chǎn)情況44u參數(shù)評估：系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進(jìn)入等待狀態(tài)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，

36、則進(jìn)入等待狀態(tài)，過一定時間后再重新開始。過一定時間后再重新開始。u數(shù)據(jù)核實階段：系統(tǒng)接收裝置的測量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)核實，將數(shù)據(jù)分為壞、不合理和合理的三類，分別給予不同處理 數(shù)據(jù)核實階段的主要任務(wù)：探測過失誤差。u數(shù)據(jù)校正： 進(jìn)行裝置的穩(wěn)態(tài)模擬，目標(biāo)函數(shù)是使實際裝置的測量數(shù)據(jù)和模型計算值的差值的平方和最小。45四、實時優(yōu)化的方程組集形式四、實時優(yōu)化的方程組集形式實時優(yōu)化的計算速度必須滿足過程控制的要求。實時優(yōu)化的計算速度必須滿足過程控制的要求。p 過程穩(wěn)態(tài)模擬：過程穩(wěn)態(tài)模擬： “模塊法模塊法”的方程組集形式；的方程組集形式； “序貫法序貫法”的求解

37、方法；的求解方法； 特點：特點：單元過程的模型和數(shù)學(xué)解法以及有關(guān)的工程知識結(jié)單元過程的模型和數(shù)學(xué)解法以及有關(guān)的工程知識結(jié)合在一起；流程模擬時采用序貫法求解。合在一起；流程模擬時采用序貫法求解。p 實時優(yōu)化：實時優(yōu)化： 開放形式或基于方程的方程組集形式；開放形式或基于方程的方程組集形式； “聯(lián)立方程聯(lián)立方程”的求解方法；的求解方法； 特點：特點：（1）單元過程的模擬僅僅是一組描述過程的模型方程，單元過程的模擬僅僅是一組描述過程的模型方程，不僅包含任何求解方法，應(yīng)用通用求解軟件，對整個裝不僅包含任何求解方法，應(yīng)用通用求解軟件，對整個裝置全部單元過程的所有模型方程聯(lián)立求解。置全部單元過程的所有模型方程聯(lián)立求解。46 特點：特點：（2）由于采用了開放形式方程，裝置的同一模型方程可由于采用了開放形式方程，裝置的同一模型方程可以應(yīng)用于過程模擬、數(shù)據(jù)校正、參數(shù)估值及裝置優(yōu)化等以應(yīng)用于過程模擬、數(shù)