引言

自70年代末至80年代初，預(yù)測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程動態(tài)模型與實測值來預(yù)測過程將來的行為，使預(yù)測值與設(shè)計值差別最小，進而達到滾動優(yōu)化目的，正因它能處理復(fù)雜過程對象，自80年代末以來，在國外，特別是美國，以DMC預(yù)測控制為主要特征的先進控制在石油、化工和冶金領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。先進控制系統(tǒng)一般可以分為兩個層次：低層為先進控制策略的應(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，增強系統(tǒng)的魯棒性，提高抗干擾能力，保證裝置安全、長周期運行；高層為各種優(yōu)化策略的應(yīng)用，以綜合經(jīng)濟效益為優(yōu)化目標［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)庫技術(shù)的新一代先進控制軟件。其主要核心包括預(yù)測、優(yōu)化和動態(tài)控制?？刂破鞯闹饕攸c為多變量約束控制、嚴格的模型控制、模型預(yù)測控制、優(yōu)化控制、區(qū)域控制。

對設(shè)計規(guī)模為800kt/a系統(tǒng)，采用美國環(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)計并實現(xiàn)了DMC優(yōu)化控制算法，取得很好的經(jīng)濟效益。

1工藝簡介

以生產(chǎn)高辛烷值汽油為目標的催化重整反應(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，可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度間接達到控制，而影響重整反應(yīng)過程的主要參數(shù)是反應(yīng)溫度、進料速度（負荷）、反應(yīng)器壓力、氫油比、原料性質(zhì)、催化劑種類。通常，進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臺爐子的爐出口溫度，由于4爐互相耦合及熱焓值擾動等因素，使單爐爐出口溫度及TW的控制精度均較低。為實現(xiàn)先進控制系統(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引入系統(tǒng)，以提高溫度控制的精度。

2重整加熱爐動態(tài)矩陣控制設(shè)計

2.1數(shù)學(xué)模型的確定

通過DCS操作員站，將爐膛溫度的PID控制器由串級切換到“自動”，待過程穩(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的的方波激勵信號，計算機對輸入的信號進行采樣，采樣周期T＝5s，圖3為加熱爐的測試曲線，采用最小二乘數(shù)據(jù)處理，得到廣義對象的模型為：

2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

動態(tài)矩陣有3個基本部分：一是內(nèi)部模型，用于預(yù)測當前時刻后若干步的過程輸出值；二是參考軌跡，即由當前測量值到達設(shè)定值ysp的預(yù)期路徑；三是控制算法，根據(jù)測量值的若干步后到達期望值的要求去算出控制量，以補償干擾、時變等因素。

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

在每一時刻k，確定M個控制增量Δu（k），…，Δu（k＋M－1），使被控對象在其作用下未來P個時刻的輸出預(yù)測值yM（k＋i/k），盡可能接近給定的期望值w（k＋i），i＝1，…，P，k時刻的優(yōu)化性能指標可取為：

這里，M、P分別稱為控制時域、預(yù)測時域。Wp（k）為期望值矩陣，對角陣Q、R稱誤差陣和控制陣，用來分別表示對跟蹤及控制量變化的抑制。

其中，C′為取首元素的運算，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)測值需在預(yù)測模型輸出的基礎(chǔ)上，用實際輸出誤差進行修正。

其中S為移位矩陣。有了k＋1時刻的初始預(yù)測值，又可開始k＋1時刻的優(yōu)化計算，求出Δu（k＋1）。整個控制就是以這種結(jié)合反饋校正的滾動優(yōu)化方式反復(fù)在線進行的。

2.3控制器參數(shù)設(shè)計

（1）預(yù)測模型的選取

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)測長度P

優(yōu)化時域P表示對k時刻起未來多少步的預(yù)測輸出，P的大小對于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性有較大影響?？梢韵冗x擇P，其大小包含對象階躍響應(yīng)的主要動態(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）控制時域長度M

控制時域長度M在優(yōu)化性能指標中表示要確定的未來控制量改變的數(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。開始時取R＝0或一較小的數(shù)，若此時系統(tǒng)穩(wěn)定，而控制量變化太大，則適當加大R，直到滿意為止。取R＝0.2I，Q＝I。

（5）采樣周期T和建模時域長度N

因系統(tǒng)慣性較小，所以取采樣周期T＝5s，建模時域長度N＝40。

2.4先進控制的實施

先進控制是在原DCS系統(tǒng)CENTUM－XL基礎(chǔ)上，通過HP9000服務(wù)器與DMCPLUS客務(wù)機連接，在HP9000上運行DMCPLUS軟件，進行模型的建立和參數(shù)的辨識、預(yù)測模型的校正及優(yōu)化計算和控制輸出，DMCPLUS與DCS的通訊通過YOKOGAWA提供的EXAPI和ASPENTECH提供的CIMIO驅(qū)動程序?？蛣?wù)機PC與HP9000以TCP－IP協(xié)議相連，主要用于監(jiān)控DMCPLUS的運行狀態(tài)和進行有關(guān)的調(diào)試維護處理。各控制點之間以串級方式相聯(lián)，充分利用DCS提供的各種控制方式間的無擾動、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)安全運行。

3應(yīng)用結(jié)果

設(shè)定TW為385℃，在先進控制投入后爐溫度控制精度有了明顯的提高，圖4為先進控制投入前后一號爐的運行情況。可見控制誤差精度由1.5℃減少到0.5℃，在負荷變化時超調(diào)特性也有明顯的改善。由于在先進控制中加入了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，延長了催化劑的壽命。

4結(jié)論

連續(xù)重整裝置的DMC先進控制自投運以來，對裝置作了幾次標定，從標定結(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，基本達到了裝置局部優(yōu)化的目的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）生產(chǎn)效益

操作人員的勞動強度得到明顯改善，無需隨原料、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，進料量從100t/h上升到103t/h，重整反應(yīng)溫度達527℃，消除了由于爐子超負荷，各反應(yīng)器提溫困難的問題。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量

先進控制投用后，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。