引言

自70年代末至80年代初，預(yù)測(cè)控制已成為一種眾所周知的技術(shù)。它的基本思想為利用過(guò)程動(dòng)態(tài)模型與實(shí)測(cè)值來(lái)預(yù)測(cè)過(guò)程將來(lái)的行為，使預(yù)測(cè)值與設(shè)計(jì)值差別最小，進(jìn)而達(dá)到滾動(dòng)優(yōu)化目的，正因它能處理復(fù)雜過(guò)程對(duì)象，自80年代末以來(lái)，在國(guó)外，特別是美國(guó)，以DMC預(yù)測(cè)控制為主要特征的先進(jìn)控制在石油、化工和冶金領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)控制系統(tǒng)一般可以分為兩個(gè)層次：低層為先進(jìn)控制策略的應(yīng)用，如基于模型的多變量預(yù)估控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，其主要目的是提高控制精度，減少產(chǎn)品質(zhì)量方差，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，提高抗干擾能力，保證裝置安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行；高層為各種優(yōu)化策略的應(yīng)用，以綜合經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)［3］。DMC－PLUS控制器是集原DMC公司的核心算法及原SET－POINT公司的界面及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的新一代先進(jìn)控制軟件。其主要核心包括預(yù)測(cè)、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制?？刂破鞯闹饕攸c(diǎn)為多變量約束控制、嚴(yán)格的模型控制、模型預(yù)測(cè)控制、優(yōu)化控制、區(qū)域控制。

對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模為800kt/a系統(tǒng)，采用美國(guó)環(huán)球油品公司第二代連續(xù)重整技術(shù)和日本橫河CENTUM－XLDCS的重整裝置設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了DMC優(yōu)化控制算法，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

1工藝簡(jiǎn)介

以生產(chǎn)高辛烷值汽油為目標(biāo)的催化重整反應(yīng)系統(tǒng)是重整系列裝置的核心設(shè)備。以重整汽油的辛烷值控制為例，可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度間接達(dá)到控制，而影響重整反應(yīng)過(guò)程的主要參數(shù)是反應(yīng)溫度、進(jìn)料速度（負(fù)荷）、反應(yīng)器壓力、氫油比、原料性質(zhì)、催化劑種類。通常，進(jìn)料特性和催化劑種類為不可控變量，壓力、空速和氫油比作為約束條件，由于重整反應(yīng)器4臺(tái)串聯(lián)，溫度可以各不相同。反應(yīng)器的溫度定義為加權(quán)平均入口溫度：

式中，xi（i＝1，2，3，4）為各反應(yīng)器催化劑分率（％）；Ti（i＝1，2，3，4）為反應(yīng)器入口溫度。

原控制系統(tǒng)采用CENTUM－XL單回路PID控制器分別控制4臺(tái)爐子的爐出口溫度，由于4爐互相耦合及熱焓值擾動(dòng)等因素，使單爐爐出口溫度及TW的控制精度均較低。為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝設(shè)定給定的TW值，內(nèi)環(huán)采用常規(guī)的PID控制器控制爐膛溫度，用來(lái)克服瓦斯壓力及熱值的快速變化，外環(huán)采用DMC控制，將熱焓值及各加工熱爐入口溫度等各種擾動(dòng)引入系統(tǒng)，以提高溫度控制的精度。

2重整加熱爐動(dòng)態(tài)矩陣控制設(shè)計(jì)

2.1數(shù)學(xué)模型的確定

通過(guò)DCS操作員站，將爐膛溫度的PID控制器由串級(jí)切換到“自動(dòng)”，待過(guò)程穩(wěn)定后，將爐膛溫度設(shè)定值由530℃提高到540℃，觀察爐壁溫度變化，施以幅值為15％、幅寬約10 min的的方波激勵(lì)信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣周期T＝5s，圖3為加熱爐的測(cè)試曲線，采用最小二乘數(shù)據(jù)處理，得到廣義對(duì)象的模型為：

2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)矩陣有3個(gè)基本部分：一是內(nèi)部模型，用于預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻后若干步的過(guò)程輸出值；二是參考軌跡，即由當(dāng)前測(cè)量值到達(dá)設(shè)定值ysp的預(yù)期路徑；三是控制算法，根據(jù)測(cè)量值的若干步后到達(dá)期望值的要求去算出控制量，以補(bǔ)償干擾、時(shí)變等因素。

在DMC中，首先測(cè)定對(duì)象的單位階躍響應(yīng)，其采樣值為ai＝a（iT），i＝1，2，…，N，若yo（k）為上一時(shí)刻作出對(duì)K時(shí)刻及以后P時(shí)刻輸出的預(yù)測(cè)值，控制量發(fā)生M次變化后，有：

在每一時(shí)刻k，確定M個(gè)控制增量Δu（k），…，Δu（k＋M－1），使被控對(duì)象在其作用下未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值yM（k＋i/k），盡可能接近給定的期望值w（k＋i），i＝1，…，P，k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)可取為：

這里，M、P分別稱為控制時(shí)域、預(yù)測(cè)時(shí)域。Wp（k）為期望值矩陣，對(duì)角陣Q、R稱誤差陣和控制陣，用來(lái)分別表示對(duì)跟蹤及控制量變化的抑制。

其中，C′為取首元素的運(yùn)算，上式給出Δu（k），…，Δu（k＋M－1）的解。

由于模型誤差和技術(shù)等的影響，系統(tǒng)的輸出預(yù)測(cè)值需在預(yù)測(cè)模型輸出的基礎(chǔ)上，用實(shí)際輸出誤差進(jìn)行修正。

其中S為移位矩陣。有了k＋1時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，又可開始k＋1時(shí)刻的優(yōu)化計(jì)算，求出Δu（k＋1）。整個(gè)控制就是以這種結(jié)合反饋校正的滾動(dòng)優(yōu)化方式反復(fù)在線進(jìn)行的。

2.3控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）預(yù)測(cè)模型的選取

根據(jù)階約響應(yīng)得到階躍響應(yīng)序列為：

387.3，387.8，387.3，386.8，387.7，387.5，386.7，387.9，…｝

（2）預(yù)測(cè)長(zhǎng)度P

優(yōu)化時(shí)域P表示對(duì)k時(shí)刻起未來(lái)多少步的預(yù)測(cè)輸出，P的大小對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性有較大影響?？梢韵冗x擇P，其大小包含對(duì)象階躍響應(yīng)的主要?jiǎng)討B(tài)部分，若快速性不夠則減少P，若穩(wěn)定性不夠則增大P，取P＝8。

（3）控制時(shí)域長(zhǎng)度M

控制時(shí)域長(zhǎng)度M在優(yōu)化性能指標(biāo)中表示要確定的未來(lái)控制量改變的數(shù)目。M大可提高控制的靈敏度，但控制性和魯棒性下降。兼顧快速性和魯棒性，取M＝4。

（4）誤差矩陣Q和控制矩陣R

引入R是為了限制控制量的劇烈變化。開始時(shí)取R＝0或一較小的數(shù)，若此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，而控制量變化太大，則適當(dāng)加大R，直到滿意為止。取R＝0.2I，Q＝I。

（5）采樣周期T和建模時(shí)域長(zhǎng)度N

因系統(tǒng)慣性較小，所以取采樣周期T＝5s，建模時(shí)域長(zhǎng)度N＝40。

2.4先進(jìn)控制的實(shí)施

先進(jìn)控制是在原DCS系統(tǒng)CENTUM－XL基礎(chǔ)上，通過(guò)HP9000服務(wù)器與DMCPLUS客務(wù)機(jī)連接，在HP9000上運(yùn)行DMCPLUS軟件，進(jìn)行模型的建立和參數(shù)的辨識(shí)、預(yù)測(cè)模型的校正及優(yōu)化計(jì)算和控制輸出，DMCPLUS與DCS的通訊通過(guò)YOKOGAWA提供的EXAPI和ASPENTECH提供的CIMIO驅(qū)動(dòng)程序?？蛣?wù)機(jī)PC與HP9000以TCP－IP協(xié)議相連，主要用于監(jiān)控DMCPLUS的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行有關(guān)的調(diào)試維護(hù)處理。各控制點(diǎn)之間以串級(jí)方式相聯(lián)，充分利用DCS提供的各種控制方式間的無(wú)擾動(dòng)、設(shè)定值跟蹤等功能，并能保證可靠性。在操作站上還增加了先進(jìn)控制回路的操作界面和故障處理界面，以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3應(yīng)用結(jié)果

設(shè)定TW為385℃，在先進(jìn)控制投入后爐溫度控制精度有了明顯的提高，圖4為先進(jìn)控制投入前后一號(hào)爐的運(yùn)行情況?？梢?jiàn)控制誤差精度由1.5℃減少到0.5℃，在負(fù)荷變化時(shí)超調(diào)特性也有明顯的改善。由于在先進(jìn)控制中加入了4爐入口溫度及干擾影響，使4爐的耦合特性有所改善，并降低了重整反應(yīng)器的峰值溫度，延長(zhǎng)了催化劑的壽命。

4結(jié)論

連續(xù)重整裝置的DMC先進(jìn)控制自投運(yùn)以來(lái)，對(duì)裝置作了幾次標(biāo)定，從標(biāo)定結(jié)果分析，在裝置的操作平穩(wěn)性、節(jié)能降耗及產(chǎn)品質(zhì)量方面有了明顯的改善，基本達(dá)到了裝置局部?jī)?yōu)化的目的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）生產(chǎn)效益

操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度得到明顯改善，無(wú)需隨原料、氣候環(huán)境等的變化去調(diào)節(jié)操作條件。

（2）節(jié)能降耗

主要體現(xiàn)在反應(yīng)部分的分離器操作壓力有明顯下降，進(jìn)料量從100t/h上升到103t/h，重整反應(yīng)溫度達(dá)527℃，消除了由于爐子超負(fù)荷，各反應(yīng)器提溫困難的問(wèn)題。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量

先進(jìn)控制投用后，可設(shè)給定的辛烷值，使重整辛烷值比原先有了提高，提高了氣提塔的分離效果，從塔頂獲得的液化氣質(zhì)量都較理想。