化工生產(chǎn)過程中先進(jìn)控制策略的應(yīng)用與性能評估

［摘 要］為了提升化工生產(chǎn)過程中的控制效果，深入探討了先進(jìn)控制策略的應(yīng)用及其性能評估。分析了化工生產(chǎn)過程控制的理論基礎(chǔ)，闡述了先進(jìn)控制策略的原理與分類。采用案例分析方法，具體研究了控制策略在實際化工生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，并利用控制性能指標(biāo)、穩(wěn)定性與魯棒性評價等方法對控制策略的性能進(jìn)行了全面評估。結(jié)果表明，先進(jìn)控制策略能顯著優(yōu)化化工過程的控制質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟性。

［關(guān)鍵詞］化工生產(chǎn)；先進(jìn)控制策略；性能評估；模型預(yù)測控制案例分析

［中圖分類號］TQ056 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0018–03

化工生產(chǎn)過程具有高度的復(fù)雜性，這主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過程的非線性、多變量交互、大時滯及操作條件的多樣性等方面。這些特點使得傳統(tǒng)的控制方法難以滿足高效、穩(wěn)定、安全生產(chǎn)的要求。因此，化工行業(yè)迫切需要更加精確和智能的控制策略來應(yīng)對生產(chǎn)過程中的各種挑戰(zhàn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，并保障生產(chǎn)安全。自從工業(yè)自動化技術(shù)興起以來，控制策略就一直在不斷進(jìn)化。從最初的手動控制到自動控制，再到現(xiàn)在的先進(jìn)控制策略，每一步都伴隨著技術(shù)的突破和理論的深化。先進(jìn)控制策略的發(fā)展，如模型預(yù)測控制（MPC）、自適應(yīng)控制和智能控制等，都是為了更好地適應(yīng)化工生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，提高控制系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。在全球競爭日益激烈的市場環(huán)境下，化工企業(yè)面臨著提高生產(chǎn)效率、降低成本及滿足環(huán)保要求的挑戰(zhàn)。先進(jìn)控制策略的應(yīng)用不僅能夠提升生產(chǎn)過程的自動化水平，還能夠?qū)崿F(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高能源利用效率，降低生產(chǎn)成本，同時保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全。因此，研究和應(yīng)用先進(jìn)控制策略具有重要的理論意義和實踐價值。

1 化工生產(chǎn)過程控制的理論基礎(chǔ)

1.1 化工生產(chǎn)過程的特點

化工生產(chǎn)過程通常涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，這些變化受到溫度、壓力、濃度和流量等多個參數(shù)的影響。例如，一個典型的連續(xù)式甲醇合成反應(yīng)器，其反應(yīng)速率隨溫度和壓力的變化而變化。在某實際操作的化工廠中，甲醇產(chǎn)量可能在500～1 000 kg/h 波動。通過分析過去一年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在維持反應(yīng)器溫度在250～260℃、壓力在5～10 MPa 的條件下，甲醇的產(chǎn)量穩(wěn)定性提高了15%，同時原料轉(zhuǎn)化率提升了5%。這突顯了化工過程的非線性特性和對精確控制的需求。

1.2 控制理論的基本概念

控制理論涉及系統(tǒng)的動態(tài)行為，控制目標(biāo)和控制算法。以溫度控制為例，基本概念包括設(shè)定點（期望的溫度）、反饋（實際溫度）和控制誤差（設(shè)定點與反饋之差）。在某個統(tǒng)計分析中，1 個PID 控制器用于維持化學(xué)反應(yīng)器的溫度。在PID 參數(shù)調(diào)整前后的對比中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化的PID 參數(shù)能夠?qū)囟瓤刂频臉?biāo)準(zhǔn)偏差從原來的±1.5℃降低到±0.5℃，減少了約66.7% 的波動，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和過程效率。

1.3 常規(guī)控制策略與先進(jìn)控制策略概述

常規(guī)控制策略包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制，如PID控制。在某化工廠的蒸餾塔應(yīng)用中，PID 控制用于維持塔頂產(chǎn)品的純度。通過收集6 個月的操作數(shù)據(jù)，對PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示產(chǎn)品純度的波動從±2% 減少到±0.5%，同時減少了重新處理的需要，節(jié)約了約10% 的能源消耗。

先進(jìn)控制策略，如模型預(yù)測控制（MPC），旨在處理更復(fù)雜的系統(tǒng)。在某個實際的聚合反應(yīng)過程中，運用MPC 可在考慮到反應(yīng)動力學(xué)和熱動力學(xué)的情況下，優(yōu)化添加劑的投加量。通過分析一段時間的操作數(shù)據(jù)，MPC 在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，使得原材料的使用效率提高了8%，并且減少了5% 的能源消耗，相比傳統(tǒng)PID 控制表現(xiàn)出更好的經(jīng)濟效益。

2 先進(jìn)控制策略的分類與原理

2.1 模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制（MPC）是一種基于模型的控制策略，其利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測未來的行為，并優(yōu)化當(dāng)前的控制動作。在實際操作中，MPC 通過考慮操作限制和過程延遲，成功地將溫度保持在±0.1℃的范圍內(nèi)，比傳統(tǒng)PID 控制更為精確。在模型預(yù)測控制（MPC）策略中，關(guān)鍵參數(shù)包括預(yù)測模型參數(shù)、預(yù)測范圍、控制范圍、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)參數(shù)及約束參數(shù)。預(yù)測模型參數(shù)指用于描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，通常表示為狀態(tài)空間模型中的矩陣A、B、C 和D。預(yù)測范圍也稱為預(yù)測地平線，指控制器預(yù)測系統(tǒng)未來行為的時間距離，影響控制決策的遠(yuǎn)見程度?？刂品秶x了控制器在預(yù)測范圍內(nèi)可實際調(diào)整控制輸入的時間段。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)參數(shù)，包括權(quán)重矩陣Q、R 及S，分別用于量化狀態(tài)誤差、控制輸入的代價及終端狀態(tài)的重要性，這些參數(shù)共同定義了控制器的性能指標(biāo)。約束參數(shù)設(shè)定了控制輸入和系統(tǒng)狀態(tài)的允許范圍，例如，控制輸入u 的上下限（umin ≤ u ≤ umax）和狀態(tài)變量x 的上下限（xmin ≤ x ≤ xmax），以確保系統(tǒng)的安全運行和性能指標(biāo)的滿足。所有這些參數(shù)必須被仔細(xì)選擇和調(diào)整，以實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的有效控制。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬、學(xué)習(xí)及執(zhí)行控制任務(wù)的策略。其適合處理對于傳統(tǒng)控制策略來說過于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。以某機器人臂的運動控制為例，通過訓(xùn)練1 個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)機器人臂的動力學(xué)和運動學(xué)，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置控制。在實驗中，經(jīng)過10 000 次迭代訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器使機器人臂的追蹤誤差降低了40%，展現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的控制性能。

2.3 混合控制系統(tǒng)

在化工生產(chǎn)過程中，混合控制系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合了多種控制策略，以發(fā)揮各自的長處并提高整體控制效能。例如，可將MPC 的長期優(yōu)化特性與模糊控制的快速適應(yīng)性和容錯能力相結(jié)合。這樣的組合策略可采取串聯(lián)或并聯(lián)的方式實現(xiàn)，具體取決于生產(chǎn)過程的需求和特點。混合控制系統(tǒng)的切換邏輯需要精心設(shè)計，以確保在不同操作條件下能夠平滑過渡到最適合的控制策略。例如，在化工生產(chǎn)中，MPC 可用于優(yōu)化工藝流程，如溫度、壓力及流量的控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和能效。同時，模糊控制可在面對原料質(zhì)量波動或設(shè)備性能變化時，快速調(diào)整控制參數(shù)，以維持生產(chǎn)的穩(wěn)定性。性能評估指標(biāo)，如生產(chǎn)效率、原料轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)偏差等，被用來評價不同控制策略的效果。在實際應(yīng)用中，這種混合控制系統(tǒng)可有效應(yīng)對化工過程中的不確定性和復(fù)雜性，提高生產(chǎn)的靈活性和經(jīng)濟效益。通過實時監(jiān)測和分析過程數(shù)據(jù)，混合控制系統(tǒng)可動態(tài)調(diào)整策略，以優(yōu)化生產(chǎn)過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量和減少能源消耗。

2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制策略

數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制策略側(cè)重于從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和推斷控制行為，而不依賴于物理模型。這種方法特別適用于那些難以建?；蛘吣Ｐ筒粶?zhǔn)確的系統(tǒng)。例如，通過分析過去的能源消耗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)可優(yōu)化大型建筑的能源管理。某實際案例表明，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動控制策略，建筑能耗降低了20%，同時保持了室內(nèi)環(huán)境的舒適度。這一成果證明了數(shù)據(jù)驅(qū)動控制在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的有效性和潛力。

3 先進(jìn)控制策略在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用案例分析

化工生產(chǎn)過程中，在應(yīng)用MPC 前，裂解爐的溫度控制主要依賴于傳統(tǒng)的PID 控制，存在控制精度不高和響應(yīng)速度慢的問題。引入MPC 后，通過建立裂解爐的動態(tài)模型，實現(xiàn)了對溫度的快速和準(zhǔn)確控制。數(shù)據(jù)顯示，MPC 的應(yīng)用使得溫度控制的偏差從±5℃降低到±1℃，同時提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了能源消耗。具體分析過程中，會記錄MPC 控制策略實施前后的控制偏差、反應(yīng)時間、能耗和產(chǎn)品合格率等數(shù)據(jù)，以量化評估MPC 的效益。

3.2 不同類型化工生產(chǎn)過程的控制策略選擇

針對不同類型的化工生產(chǎn)過程，控制策略的選擇需要基于過程的特點和要求。例如，連續(xù)過程與批處理過程在控制需求上有顯著不同。連續(xù)過程，如石油精煉，由于其運行穩(wěn)定性的要求，通常采用MPC 或閉環(huán)控制系統(tǒng)以優(yōu)化長期運行的穩(wěn)定性和效率。而批處理過程，如藥品制造，可能更依賴于專家系統(tǒng)和模糊邏輯控制，以應(yīng)對頻繁變化的生產(chǎn)條件和復(fù)雜的反應(yīng)動力學(xué)。通過分析不同過程的控制需求、響應(yīng)時間、安全性和經(jīng)濟效益等數(shù)據(jù)，可確定最合適的控制策略。例如，對于某批處理反應(yīng)器，采用專家系統(tǒng)控制后，反應(yīng)時間從8h 減少到6h，產(chǎn)品合格率提高了10%，顯示出專家系統(tǒng)在處理復(fù)雜和多變過程中的優(yōu)勢。

3.3 先進(jìn)控制策略的集成與優(yōu)化

先進(jìn)控制策略的集成與優(yōu)化是提高化工生產(chǎn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。集成不同的控制策略可以實現(xiàn)更全面的過程管理。例如，將MPC 與實時優(yōu)化（RTO）相結(jié)合，可以實現(xiàn)在宏觀和微觀層面上的控制。MPC 負(fù)責(zé)處理快速動態(tài)，而RTO 則調(diào)整生產(chǎn)操作以達(dá)到最佳經(jīng)濟效益。優(yōu)化過程中，通過實時收集過程數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等，使用高級算法不斷調(diào)整MPC 模型和RTO 策略，以適應(yīng)過程變化。數(shù)據(jù)分析表明，集成MPC 和RTO后，某化工廠的原料消耗降低了5%，生產(chǎn)成本降低了3%，同時提升了產(chǎn)品一致性。

4 性能評估指標(biāo)與方法

4.1 控制性能指標(biāo)

控制性能指標(biāo)（CPI）是衡量控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，包括響應(yīng)時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和積分絕對誤差（IAE）等。例如，響應(yīng)時間指系統(tǒng)從初始狀態(tài)達(dá)到指定性能標(biāo)準(zhǔn)所需的時間，其反映了系統(tǒng)的快速性。超調(diào)量是系統(tǒng)輸出超過最終穩(wěn)態(tài)值的最大程度，其表征了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)輸出與期望值間的差異，反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。IAE 是對系統(tǒng)誤差的累積量度，其綜合考慮了系統(tǒng)的整體性能。通過實際數(shù)據(jù)的收集和分析，如在化工過程中，可測量溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間為2min，超調(diào)量為5%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.1℃，IAE 為0.5℃ ·min，從而對控制系統(tǒng)進(jìn)行性能評估。

4.2 穩(wěn)定性與魯棒性評價

穩(wěn)定性與魯棒性是控制系統(tǒng)設(shè)計中的兩個核心概念。穩(wěn)定性意味著系統(tǒng)在受到擾動時能夠返回到或保持在平衡狀態(tài)。魯棒性則描述了系統(tǒng)在面對模型不確定性和外部擾動時保持性能不變的能力。這些可以通過增益裕度和相位裕度等指標(biāo)來量化評價。例如，某化工反應(yīng)器的控制系統(tǒng)可能被設(shè)計有20dB 的增益裕度和30°的相位裕度，意味著系統(tǒng)可以承受較大的增益變化和相位偏移而不失穩(wěn)。通過模擬不同的擾動和不確定性情況，可詳細(xì)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

4.3 評估方法與工具

評估方法與工具是進(jìn)行性能評估的手段，其可以是軟件模擬、硬件在環(huán)測試或現(xiàn)場實驗等。評估工具可能包括高級模擬軟件、數(shù)據(jù)分析平臺和自動化測試系統(tǒng)。例如，在化工控制系統(tǒng)的評估中，可以使用仿真軟件構(gòu)建1 個精確的過程模型來模擬控制策略的性能，數(shù)據(jù)分析平臺如MATLAB 或Python 可以用來處理實驗數(shù)據(jù)并提取關(guān)鍵性能指標(biāo)，而硬件在環(huán)測試可以在接近實際條件下驗證控制策略的有效性。通過這些方法與工具的綜合應(yīng)用，可對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面的評估。

5 結(jié)束語

對先進(jìn)控制策略進(jìn)行了探討和分析，以提高化工生產(chǎn)過程的性能和效率。通過在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，先進(jìn)控制策略展現(xiàn)出了顯著的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢，驗證了先進(jìn)控制策略的有效性和可行性。例如，在化工生產(chǎn)過程中，通過精確控制反應(yīng)條件，不僅提高了原料的轉(zhuǎn)化率，還降低了能源消耗和排放。未來可加強先進(jìn)控制策略在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，以提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。

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