关键词：
化工系统工程
工况迁移
动态优化
反馈控制
复频域模型
摘要：
化工过程系统一般由多个操作单元组合而成,包括流动过程、传热过程和传质过程等。因此,化工系统大都是具有大时滞、热惯性等非线性特征的复杂过程。近年来,随着生产规模的大型化与综合化以及生产方式的高度自动化与连续化,化工工业对过程系统的优化及控制提出了更高的要求。尤其是对于工况大范围变化的迁移过程,由于化工系统的机理流程复杂,常规的过程控制策略很难实现工况的平稳迁移。因此,有必要研究相应的应对方法,也就是过程迁移策略。本文从迁移策略的连续性、动态特性以及与控制系统的协调应用三个方面开展了系统地分析和讨论。(1)针对现有迁移问题求解方法的不足,即基于时间离散化以及数值逼近的动态优化法所得到的迁移策略不具备物理意义上的连续性,本文提出了一种新颖的基于复频域的解析法。该方法有别于传统时域求解思路,其基本原理是将时域迁移问题等价转换为复频域迁移问题,而后利用复频域模型求解微分代数方程的简便性,实现了对复杂迁移问题的解析求解,从而得到连续迁移策略。此外,所提方法在传递函数的辨识过程中满足了迁移过程所要求的端点约束,这避免了在后续计算中添加约束条件,降低了运算复杂性。(2)尽管基于复频域的解析法可以解决迁移策略的连续性问题,但其在运算过程中牺牲了一些动态特性。而工况迁移是对系统动态过程的研究,因此准确的动态特性至关重要。对此,本文在复频域分析思路的基础上,进一步提出了基于复频域的两步优化法。该方法集成了解析法和优化法各自的优势。首先,利用解析法获取具有物理意义的连续迁移策略。随后在此基础上,通过参数优化修正连续迁移函数中的所有参数,进而得到同时具有连续性和差异动态等复合特征的工况迁移策略。当工况发生迁移时,所获得的具有复合特征的工况迁移策略作用于迁移过程引起的波动较小,迁移效果有所改善。此外,基于复频域的两步优化法还可通过修正参数快速用于求解同一对象的不同迁移问题。(3)单纯的迁移策略实际上得到的是操作变量的最优迁移轨迹,也就是操作变量的参考轨迹,并且没有反馈这一功能,因此无法校正干扰引起的偏差。所以需要将工况迁移策略与过程控制系统相协调,而后通过闭环控制结构实现工况迁移。针对现有常规反馈协调方案抗干扰能力较差的问题,本文提出了一种引入操作变量参考轨迹的前馈-反馈协调方案。该方案通过添加操作变量参考轨迹的方式缓解了反馈控制系统的压力,将工况迁移与消除扰动两种需求分开实现。操作变量参考轨迹主要用于实现工况的大范围迁移,而其余扰动则通过反馈控制予以消除。因此,所提协调方案能够快速响应并补偿不同作用带来的不利影响,抗干扰能力更强,应用范围也更广。另外,还针对所提协调方案开发了相应的解析解法。该方法充分利用了已知条件,根据上文获取的操作变量参考轨迹来推导计算得到相应的前馈控制律及反馈控制器设定值。求解过程简单方便,避免了常规优化解法运算复杂等缺点。最后,通过对进料波动乙烯精馏塔的仿真研究,上述工况迁移策略及协调方案的可行性及优越性得到了有效验证。
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