化工過(guò)程模擬與計(jì)算(第2章)

1、第第2 2章章化工過(guò)程模擬及相關(guān)高新技術(shù)化工過(guò)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(guò)程模擬化工過(guò)程模擬2.2 化工過(guò)程先進(jìn)控制化工過(guò)程先進(jìn)控制2.3 化工過(guò)程模實(shí)時(shí)優(yōu)化化工過(guò)程模實(shí)時(shí)優(yōu)化2.4 四項(xiàng)高新技術(shù)之間的關(guān)系和效益四項(xiàng)高新技術(shù)之間的關(guān)系和效益22.1 化工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬化工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬二、動(dòng)態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域二、動(dòng)態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域一、概述一、概述三、國(guó)外動(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展三、國(guó)外動(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展四、穩(wěn)態(tài)模擬與動(dòng)態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動(dòng)態(tài)模擬的異同31 1、引起化工過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的因素：、引起化工過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的因素：一、概述一、概述(1)(1)計(jì)劃內(nèi)的變更：計(jì)劃

2、內(nèi)的變更：如原料的批次，計(jì)劃內(nèi)的高負(fù)荷或減負(fù)荷，如原料的批次，計(jì)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(dòng)，如同一批次原料質(zhì)量的差異與波動(dòng)，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(kāi)停車。裝置的開(kāi)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(dòng)態(tài)變化中最為關(guān)心的問(wèn)題：、動(dòng)態(tài)變化中最為關(guān)心的問(wèn)題：（1）波動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生多大的影響？產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量有波動(dòng)對(duì)整個(gè)

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(dòng)？多大波動(dòng)？（2）有無(wú)發(fā)生危險(xiǎn)的可能？可能會(huì)導(dǎo)致哪些危害，危害程有無(wú)發(fā)生危險(xiǎn)的可能？可能會(huì)導(dǎo)致哪些危害，危害程度如何？度如何？（3）一旦產(chǎn)生波動(dòng)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(dòng)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(dòng)的持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng)？克服之使之恢復(fù)正常又需干擾波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng)？克服之使之恢復(fù)正常又需多久？多久？（5）開(kāi)停車的最佳策略。開(kāi)停車的最佳策略。5二、動(dòng)態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域二、動(dòng)態(tài)模擬的主要功能和應(yīng)用領(lǐng)域（一）動(dòng)態(tài)特性研究（一）動(dòng)態(tài)特性研究1 1、內(nèi)容：、內(nèi)容：研究過(guò)程參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律

4、，從而得到有關(guān)過(guò)研究過(guò)程參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而得到有關(guān)過(guò)程的正確的設(shè)計(jì)方案或操作步驟。程的正確的設(shè)計(jì)方案或操作步驟。2 2、作用：、作用：應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬可以更全面、正確的認(rèn)識(shí)一個(gè)化工過(guò)應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬可以更全面、正確的認(rèn)識(shí)一個(gè)化工過(guò)程，預(yù)測(cè)某一個(gè)波動(dòng)或干擾發(fā)生時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生怎樣的變化。程，預(yù)測(cè)某一個(gè)波動(dòng)或干擾發(fā)生時(shí)系統(tǒng)會(huì)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(kāi)停車指導(dǎo)（二）開(kāi)停車指導(dǎo)1 1、開(kāi)停車的重要性、開(kāi)停車的重要性大型石

5、化裝置，每開(kāi)停車一次損失為幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)元。大型石化裝置，每開(kāi)停車一次損失為幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)元。2 2、動(dòng)態(tài)模擬對(duì)開(kāi)停車的重要指導(dǎo)作用：、動(dòng)態(tài)模擬對(duì)開(kāi)停車的重要指導(dǎo)作用：（1 1）縮短開(kāi)停車時(shí)間，盡快達(dá)到穩(wěn)定操作狀態(tài)或安全停車；）縮短開(kāi)停車時(shí)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(kāi)停車損耗；）降低物耗、能耗，減少開(kāi)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(kāi)停車過(guò)程順利進(jìn)行；）保證開(kāi)停車過(guò)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(dòng)態(tài)仿真操作工培

6、訓(xùn)系統(tǒng)（三）動(dòng)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(jì)工具（四）先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具 建立動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)模擬的重要用途；建立動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)模擬的重要用途； 動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動(dòng)干擾引起的變化；動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動(dòng)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(guò)程控制技術(shù)：過(guò)程控制技術(shù)： 20 20世紀(jì)世紀(jì)9090年；年； 過(guò)程控制技術(shù)必要條件：過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性過(guò)程控制技術(shù)必要條件：過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性9三、國(guó)外動(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展三、國(guó)外動(dòng)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(dòng)態(tài)研究報(bào)道，丁二烯抽提裝置開(kāi)動(dòng)態(tài)研究報(bào)道，

7、丁二烯抽提裝置開(kāi)車。專業(yè)型車。專業(yè)型 8080年代：通用型商品化的動(dòng)態(tài)模擬軟件；美國(guó)的普度大年代：通用型商品化的動(dòng)態(tài)模擬軟件；美國(guó)的普度大學(xué)的學(xué)的BOSSBOSS；英國(guó)劍橋的；英國(guó)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(dòng)態(tài)模擬軟件公司推出動(dòng)態(tài)模擬軟件HYSISHYSIS，同時(shí)兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬的功能。，同時(shí)兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)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(dòng)態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動(dòng)態(tài)模擬的異同穩(wěn)態(tài)模擬穩(wěn)態(tài)模擬動(dòng)態(tài)模擬動(dòng)態(tài)模擬僅有代數(shù)方程僅有代數(shù)方程

8、同時(shí)有微分方程和代數(shù)方程同時(shí)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(wú)水力學(xué)限制無(wú)水力學(xué)限制有水力學(xué)限制有水力學(xué)限制無(wú)控制器無(wú)控制器有控制器有控制器112.2 化工過(guò)程先進(jìn)控制化工過(guò)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(diǎn)三、先進(jìn)控制的特點(diǎn)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(guó)外發(fā)展概況六、國(guó)外發(fā)展概況七、先進(jìn)控制實(shí)施的外部條件七、先進(jìn)控制實(shí)施的外部條件2.2 化工過(guò)程先進(jìn)控制化工過(guò)程先進(jìn)控制一、概述一、概述131、化工過(guò)程控制的巨大變化：、化工過(guò)程控制的巨大變化：硬件：硬件：手動(dòng)閥門手動(dòng)閥門自動(dòng)控制閥自動(dòng)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(jì)算機(jī)計(jì)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(kù)軟件新的數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)存在實(shí)質(zhì)性的時(shí)間延遲和滯后；）對(duì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)存在實(shí)質(zhì)性的時(shí)間延遲和滯后；（2 2）要求控制的變量未能在線檢測(cè)；）要求控制的變量未能在線檢測(cè)；（3 3）非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)；）非線性動(dòng)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(duì)于具有較大滯后的回路其效果很差。算法對(duì)于具有較大滯后的回路其效果很差。2 2）控制變量對(duì)于操作變量的改變而引起的響應(yīng)經(jīng)常）控制變量對(duì)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(guò)程操作的疊加的結(jié)果使得化工裝置的某部）化工過(guò)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(lái)，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(lái)，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?cái)U(kuò)充；多變量預(yù)估控制涉及的范圍不斷地?cái)U(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(shí)施。大量的先進(jìn)控制正在在各種工業(yè)裝置中實(shí)施。172 2、實(shí)際上，眾多過(guò)程變量之間的相互影響是必然、實(shí)際上，眾多過(guò)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(diǎn)：的缺點(diǎn)：（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(duì)應(yīng)的關(guān)系。）之間的關(guān)系設(shè)定為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 一一對(duì)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(duì)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(shí)際情況，因此難以真正實(shí)現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控映裝置的實(shí)際情況，因此難以真正實(shí)現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控制。制。19三個(gè)彼此獨(dú)立的控制回路：三個(gè)彼此獨(dú)立的控制回路：1 1）調(diào)節(jié)回流量（）調(diào)節(jié)回流量（FCFC）來(lái)控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；）來(lái)控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；2 2）通過(guò)調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力差（）通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來(lái)控制

15、塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。）通過(guò)調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來(lái)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(guò)一段時(shí)間，必然會(huì)影響經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，必然會(huì)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(duì)于傳統(tǒng)的的變化，對(duì)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(dòng)作調(diào)節(jié)流塔頂控制器才能動(dòng)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(dòng)、塔內(nèi)壓力差），考慮波動(dòng)、塔內(nèi)壓力差），考

16、慮操作變量操作變量對(duì)不同控制影響的大對(duì)不同控制影響的大小，通過(guò)模型的預(yù)估計(jì)算，分別得到對(duì)塔頂回流量，塔頂小，通過(guò)模型的預(yù)估計(jì)算，分別得到對(duì)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(hào)，同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。號(hào)，同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。三、先進(jìn)控制的特點(diǎn)三、先進(jìn)控制的特點(diǎn)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(wèn)題。）它能處理多輸入、多輸出的控制問(wèn)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(dòng)作慢動(dòng)作”的工藝過(guò)程。的工藝過(guò)程。（ PID PID 適用于適用于“快動(dòng)作快動(dòng)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(shí)間常數(shù)回路。時(shí)間常數(shù)回路。4）不僅計(jì)算控制器當(dāng)前的一組設(shè)定值，而且要計(jì)算將來(lái)的不僅計(jì)算控制器當(dāng)前的一組設(shè)定值，而且要計(jì)算將來(lái)的若干組設(shè)定值，這樣可有效確定預(yù)期的、將來(lái)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(lái)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(dòng)更小，操作更加平穩(wěn)的波動(dòng)更小，操作更加平穩(wěn)控制變量波動(dòng)的平均值將更貼近規(guī)定的控制變量波動(dòng)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(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用多變量模型預(yù)估計(jì)算，計(jì)算出最優(yōu)的設(shè)定值，送往控制器執(zhí)行。預(yù)估計(jì)算，計(jì)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(gè)裝置成為可能，可控制整個(gè)裝多變量預(yù)估控制使得控制整個(gè)裝置成為可能，可控制整個(gè)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(fèi)用。最大的轉(zhuǎn)化率和最低的裝置操作費(fèi)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。或更高。6 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(xiàng)技術(shù)都納入一個(gè)統(tǒng)一的軟

20、先進(jìn)控制具有很高的魯棒性，且各項(xiàng)技術(shù)都納入一個(gè)統(tǒng)一的軟件包，便于運(yùn)行和安裝。件包，便于運(yùn)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(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一中的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，20世世紀(jì)紀(jì)70年代初開(kāi)始在年代初開(kāi)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(lái)，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)來(lái)，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)擾動(dòng)擾動(dòng)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(jì)算、預(yù)估計(jì)算利用裝置的動(dòng)態(tài)模型和當(dāng)前裝置的工藝參數(shù)，計(jì)算出控制變利用裝置的動(dòng)態(tài)模型和當(dāng)前裝置的工藝參數(shù)，計(jì)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(jì)算最優(yōu)目標(biāo)計(jì)算27利用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，如線性規(guī)劃，確定符合所有約束的最利用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，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(jì)算、控制設(shè)定值計(jì)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(jì)算出各個(gè)操作變量的預(yù)期的設(shè)定值的最，

22、計(jì)算出各個(gè)操作變量的預(yù)期的設(shè)定值的最佳組合。佳組合。 通過(guò)操作變量的調(diào)整，驅(qū)動(dòng)裝置朝所希望的操作區(qū)域移動(dòng)，通過(guò)操作變量的調(diào)整，驅(qū)動(dòng)裝置朝所希望的操作區(qū)域移動(dòng)，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(guò)程、執(zhí)行過(guò)程 第一組預(yù)期的操作變量設(shè)定值付諸實(shí)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(shí)施后，每一次執(zhí)行多變量預(yù)估控制時(shí)，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(shí)，控制變量的預(yù)估值都要采用當(dāng)前的裝置測(cè)量進(jìn)行計(jì)算和予以更新，以保證多變量預(yù)估控制和實(shí)際測(cè)量進(jìn)行計(jì)算和予以更新，以保證多變量預(yù)估控制和實(shí)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(shí)施，各種不同石油的基礎(chǔ)上方能實(shí)施，各種不同石油化工裝置實(shí)施先進(jìn)控制后，其凈增（含實(shí)時(shí)優(yōu)化）見(jiàn)下化工裝置實(shí)施先進(jìn)控制后，其凈增（含實(shí)時(shí)優(yōu)化）見(jiàn)下表表2-22-2裝置裝置規(guī)模（萬(wàn)噸規(guī)模（萬(wàn)噸/年）年）年凈增效益年凈增效益/萬(wàn)美元萬(wàn)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(guó)外發(fā)展概況六、國(guó)外發(fā)展概況1 1、美國(guó)（、美國(guó)（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(gòu)公司收購(gòu)Aspen Tech公司：公司：p 軟件軟件DMC Plus融合上述融合上述2個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)，個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn)，p 1997年底，全世界實(shí)施先進(jìn)控制的項(xiàng)目有年底，全世界實(shí)施先進(jìn)控制的項(xiàng)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(guò)大量石油化工裝置的先進(jìn)控制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工曾承擔(dān)過(guò)大量石油化工裝置的先進(jìn)控制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。作。 特點(diǎn)：工程經(jīng)驗(yàn)豐富，工程業(yè)績(jī)遍及全世界特點(diǎn)：工程經(jīng)驗(yàn)豐富，工程業(yè)績(jī)遍及全世界 最早進(jìn)入中國(guó)的過(guò)程控制公司，中國(guó)有多套由它設(shè)計(jì)最早進(jìn)入中國(guó)的過(guò)程控制公司，中國(guó)有多套由它設(shè)計(jì)的先進(jìn)控制在運(yùn)行。的先進(jìn)控制在運(yùn)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(zhǎng)期從事動(dòng)態(tài)矩陣控制軟件的研究和應(yīng)用，其軟該公司長(zhǎng)期從事動(dòng)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(shí)施了年，已經(jīng)實(shí)施了500500多個(gè)先進(jìn)控制項(xiàng)目。多個(gè)先進(jìn)控制項(xiàng)目。342 2、英國(guó)、英國(guó) 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(jì)；專門從事先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 有名的控制軟件包有名的控制軟件包：CONNOISSEUR。3 3、美國(guó)、美國(guó)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(lái)向著先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化的方向發(fā)展。近年來(lái)向著先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化的方向發(fā)展。 兼并了美國(guó)的兼并了美國(guó)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(shí)時(shí)優(yōu)化包兩部分）由先進(jìn)控制包和實(shí)時(shí)優(yōu)化包兩部分組成。組成。35七、先進(jìn)控制實(shí)施的外部條件七、先進(jìn)控制實(shí)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(yàn)。要求工作人員具備豐富的工程能力和經(jīng)驗(yàn)。 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(guò)程模實(shí)時(shí)優(yōu)化化工過(guò)程模實(shí)時(shí)優(yōu)化一、一、 概述概述二、實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能二、實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能三、實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖四、

29、實(shí)時(shí)優(yōu)化的方程組集形式四、實(shí)時(shí)優(yōu)化的方程組集形式五、實(shí)時(shí)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)五、實(shí)時(shí)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(wèn)題解決的是給定的設(shè)定值下裝置的平穩(wěn)操作問(wèn)題 不負(fù)責(zé)各個(gè)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(gè)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(shí)時(shí)優(yōu)化的誕生：實(shí)時(shí)優(yōu)化的誕生： 實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到原料和公用工程條件的變化。實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到原料和公用工程條件的變化。（與原來(lái)設(shè)計(jì)不同）（與原來(lái)設(shè)計(jì)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(shí)調(diào)整工藝。狀況變差的情況，需要適時(shí)調(diào)整工藝。 現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)要求整個(gè)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(gè)裝置經(jīng)濟(jì)效益最大，要求在給定約束條件下，按照適時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個(gè)在給定約束條件下，按照適時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個(gè)工藝參數(shù)的匹配，并隨時(shí)適時(shí)優(yōu)化控制。工藝參數(shù)的匹配，并隨時(shí)適時(shí)優(yōu)化控制。38 大型工業(yè)裝置的實(shí)時(shí)優(yōu)化應(yīng)該是在線、閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化。大型工業(yè)裝置的實(shí)時(shí)優(yōu)化應(yīng)該是在線、閉環(huán)實(shí)時(shí)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(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)和裝置的控制系統(tǒng)相連，隨時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)執(zhí)行有關(guān)的計(jì)算。據(jù)執(zhí)行有關(guān)的計(jì)算。 閉環(huán)：閉環(huán)：優(yōu)化系統(tǒng)的計(jì)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(jì)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(shí)施控制。想按照優(yōu)化結(jié)果實(shí)施控制。 實(shí)時(shí)優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。實(shí)時(shí)優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。39 實(shí)時(shí)優(yōu)化的發(fā)展：實(shí)時(shí)優(yōu)化的發(fā)展： 20世紀(jì)世紀(jì)90年代成為熱點(diǎn)。年代成為熱點(diǎn)。 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(yù)較高；聲譽(yù)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(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能二、實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用范圍和功能 主要用于解決裝置一級(jí)的過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題，通常這些都是大主要用于解決裝置一級(jí)的過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題，通常這些都是大型、非線性過(guò)程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達(dá)型、非線性過(guò)程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達(dá)2020萬(wàn)個(gè)或者萬(wàn)個(gè)或者更多，實(shí)時(shí)優(yōu)化的主要功能：更多，實(shí)

33、時(shí)優(yōu)化的主要功能：（1）定期自動(dòng)更新關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定值，使整個(gè)裝置達(dá)到）定期自動(dòng)更新關(guān)鍵工藝參數(shù)的設(shè)定值，使整個(gè)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(duì)于原料、公用工程以及設(shè)備等的變化及時(shí)作出響應(yīng)，）對(duì)于原料、公用工程以及設(shè)備等的變化及時(shí)作出響應(yīng)，保證整個(gè)裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運(yùn)行；保證整個(gè)裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運(yùn)行；41（5）監(jiān)督設(shè)備性能；）監(jiān)督設(shè)備性能；（6）早期識(shí)別操作中的問(wèn)題。）早期識(shí)別操作中的問(wèn)題。（3）當(dāng)產(chǎn)品、原料的價(jià)格等因素發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)對(duì)有關(guān)工）當(dāng)產(chǎn)品、原料的價(jià)格等因素發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)對(duì)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(shí)時(shí)優(yōu)化的下層功能是先進(jìn)控制，一般，通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)化）實(shí)時(shí)優(yōu)化的下層功能是先進(jìn)控制，一般，通過(guò)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。42三、實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖u判據(jù)：系統(tǒng)接受來(lái)自裝置的、作為判據(jù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，判系統(tǒng)接受來(lái)自裝置的、作為判據(jù)的測(cè)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(guò)一定時(shí)間后再重新開(kāi)始

35、。過(guò)一定時(shí)間后再重新開(kāi)始。u數(shù)據(jù)核實(shí)階段：系統(tǒng)接收裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價(jià)格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)核實(shí)，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(shí)階段的主要任務(wù)：探測(cè)過(guò)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(shí)際裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和模型計(jì)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(shí)際生產(chǎn)情況合裝置實(shí)際生產(chǎn)情況44u參數(shù)評(píng)估：系統(tǒng)接受來(lái)自裝置的、作為判據(jù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接受來(lái)自裝置的、作為判據(jù)的測(cè)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(guò)一定時(shí)間后再重新開(kāi)始。過(guò)一定時(shí)間后再重新開(kāi)始。u數(shù)據(jù)核實(shí)階段：系統(tǒng)接收裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價(jià)格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)核實(shí)，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(shí)階段的主要任務(wù)：探測(cè)過(guò)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(shí)際裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和模型計(jì)算值的差值的平方和最小。45四、實(shí)時(shí)優(yōu)化的方程組集形式四、實(shí)時(shí)優(yōu)化的方程組集形式實(shí)時(shí)優(yōu)化的計(jì)算速度必須滿足過(guò)程控制的要求。實(shí)時(shí)優(yōu)化的計(jì)算速度必須滿足過(guò)程控制的要求。p 過(guò)程穩(wěn)態(tài)模擬：過(guò)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(diǎn)：特點(diǎn)：?jiǎn)卧^(guò)程的模型和數(shù)學(xué)解法以及有關(guān)的工程知識(shí)結(jié)單元過(guò)程的模型和數(shù)學(xué)解法以及有關(guān)的工程知識(shí)結(jié)合在一起；流程模擬時(shí)采用序貫法求解。合在一起；流程模擬時(shí)采用序貫法求解。p 實(shí)時(shí)優(yōu)化：實(shí)時(shí)優(yōu)化： 開(kāi)放形式或基于方程的方程組集形式；開(kāi)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(diǎn)：特點(diǎn)：（1）單元過(guò)程的模擬僅僅是一組描述過(guò)程的模型方程，單元過(guò)程的模擬僅僅是一組描述過(guò)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(duì)整個(gè)裝不僅包含任何求解方法，應(yīng)用通用求解軟件，對(duì)整個(gè)裝置全部單元過(guò)程的所有模型方程聯(lián)立求解。置全部單元過(guò)程的所有模型方程聯(lián)立求解。46 特點(diǎn)：特點(diǎn)：（2）由于采用了開(kāi)放形式方程，裝置的同一模型方程可由于采用了開(kāi)放形式方程，裝置的同一模型方程可以應(yīng)用于過(guò)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(guò)程模擬、數(shù)