先进控制与实时优化技术交流

先进控制与实时优化技术交流2主要内容先进控制系统概述先进控制技术介绍案例分析工程实施3APC=先进过程控制AdvancedProcessControl是对那些不同于常规控制，并具有比常规PID控制更好的控制效果控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。如最优控制、解耦控制、推理控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、智能控制、预测控制等。什么是先进控制（APC）4以现代控制理论为基础系统辨识（最小二乘法为基础）最优控制（极大值原理和动态规划方法）最优估计（卡尔曼滤波理论）以模型为基础，处理多变量控制问题模型类型：传递函数，状态空间模型建模方法：机理建模、测试建模先进控制主要特点5借助于计算机来实现数据处理与传输、模型辨识、控制规律的计算、控制性能的监控、整体系统的监视（包括统计计算、各种图形显示）等均依赖于计算机来实现。先进控制主要特点6单回路控制和多回路控制系统能解决80％左右的工业控制问题，但是随着生产向着大型化、复杂化方向发展，已难以满足苛刻的约束条件和高质量的控制要求。因而也难以获取显著的经济效益。随着现代控制理论的日臻成熟和强有力的计算机出现，使得先进控制应运而生。先进控制的发展7最优控制－给出最优结构和最优控制策略，使得系统输出与预先选定的性能指标函数的偏差最小的控制方法。解耦控制－多变量控制系统中消除变量间的相互影响。推理控制－采用干扰信号分离、干扰估计器等解决被控量和干扰不可测情况下的控制问题。自适应控制－控制实施中可以改变控制系统本身。从而使控制行为适合于新的环境。它包含了模型参考自适应控制、自校正控制和参数自适应控制。鲁棒控制－针对模型在结构或参数上的不确定性，在对系统进行灵敏度分析和摄动分析的基础上，使系统仍然稳定且保持控制性能的控制方法。先进控制的发展8模糊控制－基于模糊集理论的一种控制方法，即建立模糊模型、进行模糊化、清晰化和采用模糊化推理等来实现。智能控制－是一种人工智能、控制理论、运筹学和信息论相结合的控制方法，它采用诸如专家系统、神经网络、模式识别等各种人工智能技术应用于控制系统。预测控制－采用对输出进行预报、对模型进行反馈校正、对控制实施滚动优化等策略的控制。……先进控制的发展9现代流程工业连续生产过程整个生产过程的连续性和无间断性，通过一系列加工装置对原材料进行规定的化学反应和物理变化。如炼油、化工、电力、造纸、冶金等行业有明确的性能改善要求提高控制平稳性降低操作人员劳动强度改善产品质量或提高高价值产品收率节能降耗生产过程采用计算机控制APC面向对象10为何要实施APC？连续生产过程提高效益的两个方面：生产过程工艺与设备的创新与改造不断采用先进工艺技术和设备生产装置的优化，生产装置规模的不断扩大生产过程运行与管理的科学化生产装置的安全平稳运行（离不开自动控制）生产装置的先进控制与实时优化（APC/RTO）生产调度与生产计划的优化生产和技术管理的科学化11设计已经优化，APC还有多少效益？实际运行与设计条件不同原料量与原料性质的变化市场需求的变化、生产环境的变化运行总是处于动态变化之中，与基于稳态的设计不同如何使运行安全、平稳，并处于优化状态?如何在变化的情况下给出优化条件并尽快达到优化?12石油化工生产装置操作控制的潜在效益“安、稳、长、满、优”就有明显效益无或少事故，无或少联锁切换，安全运行产品质量合格，产率或收率最高，尤其是高价值产品产率的提高，离不开平稳控制处理量高或满负荷生产节能降耗、长周期运行生产过程运行状态的优化良好操作控制日益成为“安、稳、长、满、优”主要因素生产规模的增大，对操作控制的要求越来越高13石油化工生产过程APCRTO潜在效益装置名称处理量效益(万元/年)效益(元/吨)原油蒸馏750万吨/年225－4502.5－5.0催化裂化350万吨/年420－105010.0－25.0催化重整250万吨/年150－4505.0－15.0加氢裂化250万吨/年135－3154.0－10.0延迟焦化150万吨/年144－4807.0－25.0烷基化150万吨/年135－3156.0－15.0异构化150万吨/年67.5－1353.0－6.0轻烃分离200万吨/年120－2405.0－10.014石油化工生产过程APC/RTO潜在效益潜在效益是APC/RTO发展的动力生产装置规模越大，效益越显著社会越发展，要求越迫切Benson&Perkins的估计(CPC-V,1996)基于运行平均水平与先进水平差矩分析：平稳控制与动态优化：1200亿/年减少起动、停车与切换：1000亿/年生产过程的实时优化15已有PID控制系统，还需要APC吗？石油化工生产装置操作运性特性：多变量关联动态变化：多种动态响应与多重时滞非线性：变量间关系随操作状态变化许多重要变量不能实时测量得到运行状态、约束与控制要求经常发生变化干扰、设备、工艺条件、运行环境生产负荷生产方案：产品规格、工艺流程结构：(作为被控对象)被控变量与操纵变量的变化16已有PID控制系统，还需要APC吗？PID控制是平稳生产运行的必不可少的手段对响应慢、时间滞后明显的过程，控制性能有待提高由PID控制组成的多变量控制作用有限串级、均匀、选择、分程等发挥了一定作用，但有限。不完全适应多变量互相影响的生产过程PID控制不完全适应生产过程操作控制的要求不便于处理约束和和区域控制要求无多变量协调优化功能PID控制难于适应生产过程的变化，无优化功能17上世纪八十年代APC开始发挥作用背景：现代控制理论的发展与应用数字计算机技术的发展，DCS的出现生产过程规模的不断扩大，迫切要求更好的控制与优化突破点：模型预测控制（ModelPredictiveControl）用数学模型描述生产过程的动态变化用模型预测未来变化，实现最优控制在每个控制时刻实时修正模型迅猛发展：多变量控制与协调优化、变结构控制不可测变量的实时计算－软仪表技术的发展与应用生产过程的实时优化非线性控制18基于现有的DCS和常规控制系统采用分布式体系结构机理动态数学模型为主、测试辨识模型为辅基于机理动态模型的产品质量在线计算观测采用多变量模型预测控制器技术基于先进控制实施反应深度实时优化，实现目标产品产率最大化很好地适应原料性质的变化，适应生产方案的变化系统技术路线与特点19上位机DCS控制站操作与监视（操作站）整定与监视（工程师站）1＃反应深度实时优化器1#反应控制器数据通讯接口执行系统生产过程n#反应深度实时优化器1#软测量2#控制器n-1#控制器n#控制器n#软测量2#软测量基础控制回路常规控制层软测量先进控制层实时优化层操作&监控层系统结构图20物理实现21先进控制与实优化系统软件数据采集软件HoneywellPHDAspenInfoPlusPACROSRTDSaver先进控制软件HoneywellRMPCTAspenDMCPlusPACROSVSUPCC实时优化软件ProfitOptimizerAIMQuickOptimizerPACROSRSROPT22系统效益分析系统实施后综合效益明显提升重要变量控制平稳性显著提高目的产品收率提高实现产品质量卡边控制降低装置能耗操作员劳动强度降低整体操作水平提升系统安全性提高23吉林石化常减压装置先进控制系统设计能力：350万吨/年工程范围：初馏塔与常压塔的先进控制项目内容系统运行平台软测量仪表非线性液位控制系统先进控制系统验收效益轻收提高0.58个百分点经济效益560万元/年24吉林石化常减压（续）初馏塔顶回流罐液位常压塔顶回流罐液位初馏塔顶温度25辽阳石化重整装置先进控制与实时优化系统处理能力：55万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容：系统运行平台软测量仪表先进控制系统反应深度实时优化系统验收效益芳烃收率提高0.715个百分点综合能耗降低15.3kg(EO)/t经济效益1260万元/年4个固定床反应器串联26辽化重整（续）27吉林石化FCCU先进控制与实时优化系统处理能力：140万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化【反再、分馏和吸收稳定部分】项目内容系统运行平台软测量仪表先进控制系统反应深度实时优化系统吸收稳定实时优化系统验收效益总液收提高:1.23%；轻收提高:0.79%干气C3+组分损失降低:4.19%（重量百分比）丙烯损失从8%降低至2%经济效益1700万元/年28吉林石化FCCU（续）稳定塔再沸温度常规PID控制2003.12.10-14稳定塔再沸温度VSUPCC控制2003.12.15-1829大连石化FCCU先进控制与实时优化系统处理能力：350万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容系统运行平台软测量仪表先进控制系统反应深度实时优化系统吸收稳定实时优化系统验收效益轻油收率提高：0.78%经济效益2438万元/年30吉林石化苯乙烯装置先进控制与实时优化系统处理能力：10万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容系统运行平台软测量仪表先进控制系统反应深度实时优化系统验收效益乙苯脱氢单元产品收率提高：0.88%（其中苯乙烯0.57%,甲苯0.31%)烷基化单元多乙苯收率提高：0.563%（其中乙苯0.414%,二乙苯0.11%)装置综合能耗：5.8%装置处理能力：2%经济效益895万元/年3个烷基化反应器1个转烷基化反应器2个乙苯脱氢反应器31吉化苯乙烯（续）响应慢、大滞后过程控制的改善32沧州石化气分装置先进控制系统设计能力：20万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容系统运行平台软测量系统非线性液位控制先进控制系统绩效考核系统验收效益丙烯收率提高1.7个百分点综合能耗降低5.83千克标油增加产能33独山子石化催化裂化先进控制与实时优化系统设计能力：80万吨/年工程范围：全装置的先进控制和优化项目内容系统运行平台软测量系统先进控制系统实时优化系统绩效考核系统验收效益轻收率提高0.65个百分点经济效益918万元/年34主要内容先进控制系统概述先进控制系统技术介绍案例分析工程实施预测控制技术介绍36自动控制技术的发展从上世纪40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出（SISO）简单反馈控制回路成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制理论的分析设计和综合。目前，PID控制仍被广泛采用，即使在大量采用DCS控制的最现代化的装置中，PID回路仍占回路总数的80%到90%。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结和模仿，工业界比较熟悉且容易接受。然而，单回路PID控制并不能适用于所有的过程和不同的要求。从50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀等复杂控制系统。在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。它们从理论上看仍是经典控制理论的产物。37自动控制技术的发展PID控制优点P－Proportion，比例，对当前偏差的直接利用；I－Integral，积分，反映的是偏差的历史积累；D－Differential，微分，预测未来，反映的是偏差的变化速度，仅前瞻一步；不需要对象的模型；分析、设计和实现简单，易于被现场工程师所接受；具有较强的鲁棒性；38自动控制技术的发展常规控制缺点PID控制器参数整定较困难，尚无系统化的参数整定方法，需要丰富的经验才能达到较好的控制效果。主要采用基于偏差的反馈控制，而不是基于模型的控制技术，信息利用率不足。一般只适用于SISO（单入单出）系统，最多加入前馈或串级系统，无法处理MIMO（多入多出）复杂工业系统的控制问题，