化工過程模擬與計算(第2章)

1、第第2 2章章化工過程模擬及相關高新技術(shù)化工過程模擬及相關高新技術(shù)1課程內(nèi)容課程內(nèi)容2.1 化工過程模擬化工過程模擬2.2 化工過程先進控制化工過程先進控制2.3 化工過程模實時優(yōu)化化工過程模實時優(yōu)化2.4 四項高新技術(shù)之間的關系和效益四項高新技術(shù)之間的關系和效益22.1 化工過程動態(tài)模擬化工過程動態(tài)模擬二、動態(tài)模擬的主要功能和應用領域二、動態(tài)模擬的主要功能和應用領域一、概述一、概述三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同31 1、引起化工過程動態(tài)變化的因素：、引起化工過程動態(tài)變化的因素：一、概述一、概述(1)(1)計劃內(nèi)的變更：計劃

2、內(nèi)的變更：如原料的批次，計劃內(nèi)的高負荷或減負荷，如原料的批次，計劃內(nèi)的高負荷或減負荷，設備的定期切換等設備的定期切換等(2)(2)事物本身的不穩(wěn)定性：事物本身的不穩(wěn)定性：如同一批次原料質(zhì)量的差異與波動，如同一批次原料質(zhì)量的差異與波動，催化劑活性的降低。催化劑活性的降低。(3)(3)意外事故，設備故障，人為的誤操作等；意外事故，設備故障，人為的誤操作等；(4)(4)裝置的開停車。裝置的開停車。原有穩(wěn)態(tài)與平衡破壞，系統(tǒng)向著新的平衡發(fā)展。原有穩(wěn)態(tài)與平衡破壞，系統(tǒng)向著新的平衡發(fā)展。42、動態(tài)變化中最為關心的問題：、動態(tài)變化中最為關心的問題：（1）波動對整個系統(tǒng)產(chǎn)生多大的影響？產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量有波動對整個

3、系統(tǒng)產(chǎn)生多大的影響？產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量有多大波動？多大波動？（2）有無發(fā)生危險的可能？可能會導致哪些危害，危害程有無發(fā)生危險的可能？可能會導致哪些危害，危害程度如何？度如何？（3）一旦產(chǎn)生波動或事故，應當如何處理、調(diào)整？最恰當一旦產(chǎn)生波動或事故，應當如何處理、調(diào)整？最恰當?shù)拇胧?、步驟？的措施、步驟？（4）干擾波動的持續(xù)時間多長？克服之使之恢復正常又需干擾波動的持續(xù)時間多長？克服之使之恢復正常又需多久？多久？（5）開停車的最佳策略。開停車的最佳策略。5二、動態(tài)模擬的主要功能和應用領域二、動態(tài)模擬的主要功能和應用領域（一）動態(tài)特性研究（一）動態(tài)特性研究1 1、內(nèi)容：、內(nèi)容：研究過程參數(shù)隨時間變化的規(guī)律

4、，從而得到有關過研究過程參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，從而得到有關過程的正確的設計方案或操作步驟。程的正確的設計方案或操作步驟。2 2、作用：、作用：應用動態(tài)模擬可以更全面、正確的認識一個化工過應用動態(tài)模擬可以更全面、正確的認識一個化工過程，預測某一個波動或干擾發(fā)生時系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化。程，預測某一個波動或干擾發(fā)生時系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化。3 3、例子：、例子：在固定床，催化劑條件下的甲烷化反應，進料為在固定床，催化劑條件下的甲烷化反應，進料為50%50%的合成氣和的合成氣和50%50%的水蒸氣。的水蒸氣。6120612507（二）開停車指導（二）開停車指導1 1、開停車的重要性、開停車的重要性大型石

5、化裝置，每開停車一次損失為幾十萬甚至幾百萬元。大型石化裝置，每開停車一次損失為幾十萬甚至幾百萬元。2 2、動態(tài)模擬對開停車的重要指導作用：、動態(tài)模擬對開停車的重要指導作用：（1 1）縮短開停車時間，盡快達到穩(wěn)定操作狀態(tài)或安全停車；）縮短開停車時間，盡快達到穩(wěn)定操作狀態(tài)或安全停車；（2 2）降低物耗、能耗，減少開停車損耗；）降低物耗、能耗，減少開停車損耗；（3 3）避免可能產(chǎn)生的誤操作或事故；）避免可能產(chǎn)生的誤操作或事故；（4 4）減少不合格產(chǎn)品；）減少不合格產(chǎn)品；（5 5）保證開停車過程順利進行；）保證開停車過程順利進行；（6 6）取得最佳經(jīng)濟效益。）取得最佳經(jīng)濟效益。8（三）動態(tài)仿真操作工培

6、訓系統(tǒng)（三）動態(tài)仿真操作工培訓系統(tǒng)（四）先進控制系統(tǒng)的設計工具（四）先進控制系統(tǒng)的設計工具 建立動態(tài)仿真系統(tǒng)是動態(tài)模擬的重要用途；建立動態(tài)仿真系統(tǒng)是動態(tài)模擬的重要用途； 動態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動干擾引起的變化；動態(tài)仿真系統(tǒng)既有穩(wěn)態(tài)又有波動干擾引起的變化； 先進控制：起源于先進控制：起源于2020世紀世紀7070年；年； 過程控制技術(shù)：過程控制技術(shù)： 20 20世紀世紀9090年；年； 過程控制技術(shù)必要條件：過程的動態(tài)特性過程控制技術(shù)必要條件：過程的動態(tài)特性9三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展三、國外動態(tài)模擬的發(fā)展 2020世紀世紀7070年代初期：年代初期：動態(tài)研究報道，丁二烯抽提裝置開動態(tài)研究報道，

7、丁二烯抽提裝置開車。專業(yè)型車。專業(yè)型 8080年代：通用型商品化的動態(tài)模擬軟件；美國的普度大年代：通用型商品化的動態(tài)模擬軟件；美國的普度大學的學的BOSSBOSS；英國劍橋的；英國劍橋的QUASLINQUASLIN。 9090年代中期：年代中期：加拿大加拿大HyprotechHyprotech公司推出動態(tài)模擬軟件公司推出動態(tài)模擬軟件HYSISHYSIS，同時兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的功能。，同時兼具穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬的功能。 模擬軟件推出的基礎：模擬軟件推出的基礎：機理模型機理模型10四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同四、穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬的異同穩(wěn)態(tài)模擬穩(wěn)態(tài)模擬動態(tài)模擬動態(tài)模擬僅有代數(shù)方程僅有代數(shù)方程

8、同時有微分方程和代數(shù)方程同時有微分方程和代數(shù)方程物料平衡用代數(shù)方程描述物料平衡用代數(shù)方程描述物料平衡用微分方程描述物料平衡用微分方程描述能量平衡用代數(shù)方程描述能量平衡用代數(shù)方程描述能量平衡用微分方程描述能量平衡用微分方程描述嚴格的熱力學方法嚴格的熱力學方法嚴格的熱力學方法嚴格的熱力學方法無水力學限制無水力學限制有水力學限制有水力學限制無控制器無控制器有控制器有控制器112.2 化工過程先進控制化工過程先進控制一、概述一、概述12二、先進控制和二、先進控制和DCSDCS（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別三、先進控制的特點三、先進控制的特點四、多變量預估控制的執(zhí)行步驟

9、四、多變量預估控制的執(zhí)行步驟五、先進控制的經(jīng)濟效益五、先進控制的經(jīng)濟效益六、國外發(fā)展概況六、國外發(fā)展概況七、先進控制實施的外部條件七、先進控制實施的外部條件2.2 化工過程先進控制化工過程先進控制一、概述一、概述131、化工過程控制的巨大變化：、化工過程控制的巨大變化：硬件：硬件：手動閥門手動閥門自動控制閥自動控制閥PID控制器控制器（比例（比例- -積積分分- -微分控制器微分控制器）集散型控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)（DCS）計算機計算機控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件：軟件：填充式的控制軟件填充式的控制軟件新的數(shù)據(jù)庫軟件新的數(shù)據(jù)庫軟件新的改新的改進了的優(yōu)化算法進了的優(yōu)化算法基于模型的多變量預估控制軟件基

10、于模型的多變量預估控制軟件142 2、典型化工裝置的生產(chǎn)操作特性、典型化工裝置的生產(chǎn)操作特性( (常規(guī)控制手段下常規(guī)控制手段下) )：（1 1）對動態(tài)反應存在實質(zhì)性的時間延遲和滯后；）對動態(tài)反應存在實質(zhì)性的時間延遲和滯后；（2 2）要求控制的變量未能在線檢測；）要求控制的變量未能在線檢測；（3 3）非線性動態(tài)響應；）非線性動態(tài)響應；（4 4）相互耦合；）相互耦合；（5 5）存在約束；）存在約束；（6 6）存在大的外部干擾。）存在大的外部干擾。153 3、基本操作系統(tǒng)的弊端：、基本操作系統(tǒng)的弊端：1 1）DCSDCS控制器的基礎的常規(guī)算法是控制器的基礎的常規(guī)算法是PIDPID算法，這種算法，這種

11、算法對于具有較大滯后的回路其效果很差。算法對于具有較大滯后的回路其效果很差。2 2）控制變量對于操作變量的改變而引起的響應經(jīng)常）控制變量對于操作變量的改變而引起的響應經(jīng)常是非線性的。是非線性的。3 3）化工過程操作的疊加的結(jié)果使得化工裝置的某部）化工過程操作的疊加的結(jié)果使得化工裝置的某部分難以控制，即使采用標準控制器和標準方法。分難以控制，即使采用標準控制器和標準方法。二、先進控制和二、先進控制和DCSDCS（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別（集散型控制系統(tǒng)）控制的主要區(qū)別161 1、先進控制的歷史、先進控制的歷史 先進控制理論先進控制理論2020世紀世紀7070年代初提出；年代初提出； 工業(yè)上

12、的最初應用始于工業(yè)上的最初應用始于7070年代末；年代末； 9090年代以來，先進控制的工業(yè)應用獲得了蓬勃發(fā)展，獲年代以來，先進控制的工業(yè)應用獲得了蓬勃發(fā)展，獲得巨大經(jīng)濟效益，大量工業(yè)裝置紛紛在已有的得巨大經(jīng)濟效益，大量工業(yè)裝置紛紛在已有的DCSDCS的基的基礎上配備了先進控制系統(tǒng)。礎上配備了先進控制系統(tǒng)。 2121世紀，先進控制技術(shù)在許多方面發(fā)展十分成熟：世紀，先進控制技術(shù)在許多方面發(fā)展十分成熟： 各種多變量預估控制的理論基礎已被廣泛認同；各種多變量預估控制的理論基礎已被廣泛認同； 多變量預估控制涉及的范圍不斷地擴充；多變量預估控制涉及的范圍不斷地擴充； 多變量預估控制軟件包不斷涌現(xiàn)；多變量

13、預估控制軟件包不斷涌現(xiàn)； 大量的先進控制正在在各種工業(yè)裝置中實施。大量的先進控制正在在各種工業(yè)裝置中實施。172 2、實際上，眾多過程變量之間的相互影響是必然、實際上，眾多過程變量之間的相互影響是必然的，操作變化和控制變化之間的關系如圖的，操作變化和控制變化之間的關系如圖2-32-3183 3、DCSDCS的缺點：的缺點：（7070年代初進入工業(yè)裝置）年代初進入工業(yè)裝置） 基本不考慮變量之間的相互影響，將基本不考慮變量之間的相互影響，將操作變量操作變量（manipulated variable ,manipulated variable ,MVMV）和）和控制變量控制變量（controlled

14、 controlled variablevariable，CVCV）之間的關系設定為一一對應的關系。）之間的關系設定為一一對應的關系。 一一對應的關系忽略了變量之間的耦合關系，不能反一一對應的關系忽略了變量之間的耦合關系，不能反映裝置的實際情況，因此難以真正實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控映裝置的實際情況，因此難以真正實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)控制。制。19三個彼此獨立的控制回路：三個彼此獨立的控制回路：1 1）調(diào)節(jié)回流量（）調(diào)節(jié)回流量（FCFC）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；）來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量；2 2）通過調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力差（）通過調(diào)節(jié)塔內(nèi)壓力差（ PCPC）控制塔頂壓力；）控制塔頂壓力；3 3）通過調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來控制

15、塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。）通過調(diào)節(jié)再沸器加熱介質(zhì)的流量來控制塔釜產(chǎn)品的質(zhì)量。如：塔釜加熱量的變化，其如：塔釜加熱量的變化，其影響經(jīng)過一段時間，必然會影響經(jīng)過一段時間，必然會到塔頂，引起塔頂產(chǎn)品質(zhì)量到塔頂，引起塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的變化，對于傳統(tǒng)的的變化，對于傳統(tǒng)的DCS控控制方法，只有等到這一刻，制方法，只有等到這一刻，塔頂控制器才能動作調(diào)節(jié)流塔頂控制器才能動作調(diào)節(jié)流量。量。精餾塔的傳統(tǒng)控制理論：精餾塔的傳統(tǒng)控制理論：20精餾塔的先進控制理論：精餾塔的先進控制理論：先進控制包：所有控制變化的變化（塔頂、塔釜產(chǎn)品質(zhì)量先進控制包：所有控制變化的變化（塔頂、塔釜產(chǎn)品質(zhì)量波動、塔內(nèi)壓力差），考慮波動、塔內(nèi)壓力差），考

16、慮操作變量操作變量對不同控制影響的大對不同控制影響的大小，通過模型的預估計算，分別得到對塔頂回流量，塔頂小，通過模型的預估計算，分別得到對塔頂回流量，塔頂壓力及再沸器加熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)值。壓力及再沸器加熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)值。由先進控制包發(fā)出信由先進控制包發(fā)出信號，同時進行調(diào)節(jié)。號，同時進行調(diào)節(jié)。三、先進控制的特點三、先進控制的特點1 1、控制性能、控制性能21u先進控制技術(shù)能夠提供遠比傳統(tǒng)控制先進控制技術(shù)能夠提供遠比傳統(tǒng)控制PIDPID控制好得多的控控制好得多的控制性能：制性能：1 1）它能處理多輸入、多輸出的控制問題。）它能處理多輸入、多輸出的控制問題。2 2）它可以處理）它可以處理PIDPI

17、D難以處理的難以處理的“慢動作慢動作”的工藝過程。的工藝過程。（ PID PID 適用于適用于“快動作快動作”控制回路，如溫度、壓力流控制回路，如溫度、壓力流量）。量）。3）由于其預估特性，可以有效地控制具有較大的純滯后或由于其預估特性，可以有效地控制具有較大的純滯后或時間常數(shù)回路。時間常數(shù)回路。4）不僅計算控制器當前的一組設定值，而且要計算將來的不僅計算控制器當前的一組設定值，而且要計算將來的若干組設定值，這樣可有效確定預期的、將來的控制器設若干組設定值，這樣可有效確定預期的、將來的控制器設定值，保證不違反所有的約束條件。定值，保證不違反所有的約束條件。22u 卡邊控制卡邊控制先進控制從整體

18、上提高了裝置的控制水平，使控制變量先進控制從整體上提高了裝置的控制水平，使控制變量的波動更小，操作更加平穩(wěn)的波動更小，操作更加平穩(wěn)控制變量波動的平均值將更貼近規(guī)定的控制變量波動的平均值將更貼近規(guī)定的工藝規(guī)定或約束工藝規(guī)定或約束條件（是否合理，不是先進控制的任務）條件（是否合理，不是先進控制的任務）。帶來可觀的經(jīng)濟效益帶來可觀的經(jīng)濟效益23u 卡邊控制卡邊控制242 2、先進控制的核心是多變量預估控制、先進控制的核心是多變量預估控制先進控制軟件根據(jù)裝置的實時數(shù)據(jù)，采用多變量模型先進控制軟件根據(jù)裝置的實時數(shù)據(jù)，采用多變量模型預估計算，計算出最優(yōu)的設定值，送往控制器執(zhí)行。預估計算，計算出最優(yōu)的設定值

19、，送往控制器執(zhí)行。3 3、控制范圍、控制范圍多變量預估控制使得控制整個裝置成為可能，可控制整個裝多變量預估控制使得控制整個裝置成為可能，可控制整個裝置的所有變量。置的所有變量。4 4、顯著的經(jīng)濟效益、顯著的經(jīng)濟效益先進控制可使裝置在最大經(jīng)濟效益的條件下操作：最大的產(chǎn)量、先進控制可使裝置在最大經(jīng)濟效益的條件下操作：最大的產(chǎn)量、最大的轉(zhuǎn)化率和最低的裝置操作費用。最大的轉(zhuǎn)化率和最低的裝置操作費用。255 5、在各種條件下均有較高的在線因子、在各種條件下均有較高的在線因子通常是通常是95%95%或更高?；蚋摺? 6、維護工作量較小、維護工作量較小先進控制具有很高的魯棒性，且各項技術(shù)都納入一個統(tǒng)一的軟

20、先進控制具有很高的魯棒性，且各項技術(shù)都納入一個統(tǒng)一的軟件包，便于運行和安裝。件包，便于運行和安裝。魯棒性魯棒性/抗變換性抗變換性（英文：英文：robustness）原是）原是統(tǒng)計學統(tǒng)計學中的一中的一個專門術(shù)語，個專門術(shù)語，20世世紀紀70年代初開始在年代初開始在控制理論控制理論的研究中流行起的研究中流行起來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)來，用以表征控制系統(tǒng)對特性或參數(shù)擾動擾動的的不敏感性不敏感性。267 7、投資回收期短、投資回收期短投資回收期都在半年到一年之間，裝置的規(guī)模越大，投資回收期都在半年到一年之間，裝置的規(guī)模越大，效益越明顯。效益越明顯。四、多變量預估控制的執(zhí)行步驟四、多變量預估控制

21、的執(zhí)行步驟1 1、預估計算、預估計算利用裝置的動態(tài)模型和當前裝置的工藝參數(shù)，計算出控制變利用裝置的動態(tài)模型和當前裝置的工藝參數(shù)，計算出控制變量，如產(chǎn)品組成、溫度等的預期的變化值。量，如產(chǎn)品組成、溫度等的預期的變化值。2 2、最優(yōu)目標計算最優(yōu)目標計算27利用適當?shù)挠嬎惴椒?，如線性規(guī)劃，確定符合所有約束的最利用適當?shù)挠嬎惴椒?，如線性規(guī)劃，確定符合所有約束的最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工藝條件。優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工藝條件。283 3、控制設定值計算、控制設定值計算 基于預估的控制變量的基于預估的控制變量的預期軌跡預期軌跡以及根據(jù)以及根據(jù)線性規(guī)劃線性規(guī)劃得到的得到的最優(yōu)控制目標最優(yōu)控制目標，計算出各個操作變量的預期的設定值的最，

22、計算出各個操作變量的預期的設定值的最佳組合。佳組合。 通過操作變量的調(diào)整，驅(qū)動裝置朝所希望的操作區(qū)域移動，通過操作變量的調(diào)整，驅(qū)動裝置朝所希望的操作區(qū)域移動，而不違反所有的約束條件，或者操作變量的極限值。而不違反所有的約束條件，或者操作變量的極限值。294 4、執(zhí)行過程、執(zhí)行過程 第一組預期的操作變量設定值付諸實施后，每一次執(zhí)行多第一組預期的操作變量設定值付諸實施后，每一次執(zhí)行多變量預估控制時，控制變量的預估值都要采用當前的裝置變量預估控制時，控制變量的預估值都要采用當前的裝置測量進行計算和予以更新，以保證多變量預估控制和實際測量進行計算和予以更新，以保證多變量預估控制和實際裝置的一致性。裝置

23、的一致性。五、先進控制的經(jīng)濟效益五、先進控制的經(jīng)濟效益30 先進控制務必在先進控制務必在DCSDCS的基礎上方能實施，各種不同石油的基礎上方能實施，各種不同石油化工裝置實施先進控制后，其凈增（含實時優(yōu)化）見下化工裝置實施先進控制后，其凈增（含實時優(yōu)化）見下表表2-22-2裝置裝置規(guī)模（萬噸規(guī)模（萬噸/年）年）年凈增效益年凈增效益/萬美元萬美元常減壓常減壓750225-450催化裂化催化裂化370420-1050催化重整催化重整215150-450加氫裂化加氫裂化265225-450烷基化烷基化130135-315延遲焦化延遲焦化212144-480異構(gòu)化異構(gòu)化15550-150乙烯乙烯4530

24、0-50031六、國外發(fā)展概況六、國外發(fā)展概況1 1、美國（、美國（19961996年之前）年之前）SetpointSetpoint公司的公司的SMCASMCADynamic Matrix ControlDynamic Matrix Control公司的公司的DMCDMC1996年年Aspen Tech公司收購公司收購Aspen Tech公司：公司：p 軟件軟件DMC Plus融合上述融合上述2個軟件的優(yōu)點，個軟件的優(yōu)點，p 1997年底，全世界實施先進控制的項目有年底，全世界實施先進控制的項目有1500套，套， Aspen Tech完成了完成了1050套，占套，占70%。p 全世界最大的五套

25、催化裂化裝置全部采用的全世界最大的五套催化裂化裝置全部采用的Aspen Tech的的DMC技術(shù)。技術(shù)。1998年加拿大年加拿大Treiber Control公司公司32SetpointSetpoint公司：公司： 成立于成立于19771977年年 曾承擔過大量石油化工裝置的先進控制項目的設計工曾承擔過大量石油化工裝置的先進控制項目的設計工作。作。 特點：工程經(jīng)驗豐富，工程業(yè)績遍及全世界特點：工程經(jīng)驗豐富，工程業(yè)績遍及全世界 最早進入中國的過程控制公司，中國有多套由它設計最早進入中國的過程控制公司，中國有多套由它設計的先進控制在運行。的先進控制在運行。33Dynamic Matrix Contr

26、olDynamic Matrix Control公司：公司：19841984年創(chuàng)辦。年創(chuàng)辦。創(chuàng)辦人：創(chuàng)辦人：Dr. Charlie CulterDr. Charlie Culter，先進控制理論創(chuàng)始人之一。，先進控制理論創(chuàng)始人之一。該公司長期從事動態(tài)矩陣控制軟件的研究和應用，其軟該公司長期從事動態(tài)矩陣控制軟件的研究和應用，其軟件的高品質(zhì)和先進控制的高性能吸引了大量的客戶，至件的高品質(zhì)和先進控制的高性能吸引了大量的客戶，至19941994年，已經(jīng)實施了年，已經(jīng)實施了500500多個先進控制項目。多個先進控制項目。342 2、英國、英國 Predictive Control Ltd.Predict

27、ive Control Ltd.公司成立于公司成立于19881988年；年； 專門從事先進控制系統(tǒng)的設計；專門從事先進控制系統(tǒng)的設計； 有名的控制軟件包有名的控制軟件包：CONNOISSEUR。3 3、美國、美國HoneywellHoneywell公司公司 原是著名原是著名 的的DCSDCS的供應商；的供應商； 近年來向著先進控制和實時優(yōu)化的方向發(fā)展。近年來向著先進控制和實時優(yōu)化的方向發(fā)展。 兼并了美國的兼并了美國的Profimatics公司，先進控制業(yè)務有較大發(fā)公司，先進控制業(yè)務有較大發(fā)展。展。 有部門專門從事先進控制和優(yōu)化業(yè)務，推出工廠一體化有部門專門從事先進控制和優(yōu)化業(yè)務，推出工廠一體化

28、化解決方案（化解決方案（TPS）由先進控制包和實時優(yōu)化包兩部分）由先進控制包和實時優(yōu)化包兩部分組成。組成。35七、先進控制實施的外部條件七、先進控制實施的外部條件 多專業(yè)、多學科的緊密合作；多專業(yè)、多學科的緊密合作； 要求工作人員具備豐富的工程能力和經(jīng)驗。要求工作人員具備豐富的工程能力和經(jīng)驗。 由工藝專家和自控專家共同合作完成；由工藝專家和自控專家共同合作完成； 公司技術(shù)人員應具備化工背景。公司技術(shù)人員應具備化工背景。2.3 化工過程模實時優(yōu)化化工過程模實時優(yōu)化一、一、 概述概述二、實時優(yōu)化的應用范圍和功能二、實時優(yōu)化的應用范圍和功能三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖四、

29、實時優(yōu)化的方程組集形式四、實時優(yōu)化的方程組集形式五、實時優(yōu)化的目標函數(shù)五、實時優(yōu)化的目標函數(shù)3637一、一、 概述概述 先進控制：先進控制： 解決的是給定的設定值下裝置的平穩(wěn)操作問題解決的是給定的設定值下裝置的平穩(wěn)操作問題 不負責各個設定值是否最佳工藝條件，是否有最大經(jīng)不負責各個設定值是否最佳工藝條件，是否有最大經(jīng)濟效益。濟效益。 實時優(yōu)化的誕生：實時優(yōu)化的誕生： 實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到原料和公用工程條件的變化。實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到原料和公用工程條件的變化。（與原來設計不同）（與原來設計不同） 工藝調(diào)整必然性：催化劑的老化、換熱器結(jié)垢、設備工藝調(diào)整必然性：催化劑的老化、換熱器結(jié)垢、設備狀況變差的

30、情況，需要適時調(diào)整工藝。狀況變差的情況，需要適時調(diào)整工藝。 現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)要求整個裝置經(jīng)濟效益最大，要求現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)要求整個裝置經(jīng)濟效益最大，要求在給定約束條件下，按照適時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個在給定約束條件下，按照適時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，求出各個工藝參數(shù)的匹配，并隨時適時優(yōu)化控制。工藝參數(shù)的匹配，并隨時適時優(yōu)化控制。38 大型工業(yè)裝置的實時優(yōu)化應該是在線、閉環(huán)實時優(yōu)化。大型工業(yè)裝置的實時優(yōu)化應該是在線、閉環(huán)實時優(yōu)化。 在線：在線：優(yōu)化系統(tǒng)和裝置的控制系統(tǒng)相連，隨時根據(jù)實時數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)和裝置的控制系統(tǒng)相連，隨時根據(jù)實時數(shù)據(jù)執(zhí)行有關的計算。據(jù)執(zhí)行有關的計算。 閉環(huán)：閉環(huán)：優(yōu)化系統(tǒng)的計算結(jié)果傳送到控制系

31、統(tǒng)，控制系統(tǒng)不優(yōu)化系統(tǒng)的計算結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不想按照優(yōu)化結(jié)果實施控制。想按照優(yōu)化結(jié)果實施控制。 實時優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。實時優(yōu)化是模擬和控制的緊密結(jié)合。39 實時優(yōu)化的發(fā)展：實時優(yōu)化的發(fā)展： 20世紀世紀90年代成為熱點。年代成為熱點。 Aspen Tech公司的公司的RT-OPT較著名較著名基于方程的?；诜匠痰哪Ｐ徒M集，圖形界面與其穩(wěn)定模擬軟件型組集，圖形界面與其穩(wěn)定模擬軟件ASPEN PLUS兼容。兼容。 Dynamic Matrix ControlDynamic Matrix Control公司的公司的DMODMO聲譽較高；聲譽較高； Simulation Scie

32、ncesSimulation Sciences公司公司ROMEOROMEO在原有優(yōu)化軟件在原有優(yōu)化軟件ROMROM的基礎上發(fā)展而成的；的基礎上發(fā)展而成的； HoneywellHoneywell公司的公司的TPS ProfitMaxTPS ProfitMax也有比較多的客戶。也有比較多的客戶。40二、實時優(yōu)化的應用范圍和功能二、實時優(yōu)化的應用范圍和功能 主要用于解決裝置一級的過程優(yōu)化問題，通常這些都是大主要用于解決裝置一級的過程優(yōu)化問題，通常這些都是大型、非線性過程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達型、非線性過程的優(yōu)化，總的模型方程的數(shù)量可達2020萬個或者萬個或者更多，實時優(yōu)化的主要功能：更多，實

33、時優(yōu)化的主要功能：（1）定期自動更新關鍵工藝參數(shù)的設定值，使整個裝置達到）定期自動更新關鍵工藝參數(shù)的設定值，使整個裝置達到總體經(jīng)濟效益最大；總體經(jīng)濟效益最大；（2）對于原料、公用工程以及設備等的變化及時作出響應，）對于原料、公用工程以及設備等的變化及時作出響應，保證整個裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運行；保證整個裝置始終在最優(yōu)工藝參數(shù)匹配下運行；41（5）監(jiān)督設備性能；）監(jiān)督設備性能；（6）早期識別操作中的問題。）早期識別操作中的問題。（3）當產(chǎn)品、原料的價格等因素發(fā)生變化時，及時對有關工）當產(chǎn)品、原料的價格等因素發(fā)生變化時，及時對有關工藝參數(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)量作出調(diào)整，保證在變化的情況下，裝置的藝參數(shù)

34、和產(chǎn)品產(chǎn)量作出調(diào)整，保證在變化的情況下，裝置的總體經(jīng)濟效益最大；總體經(jīng)濟效益最大；（4）實時優(yōu)化的下層功能是先進控制，一般，通過實時優(yōu)化）實時優(yōu)化的下層功能是先進控制，一般，通過實時優(yōu)化得到的新的決策變量將直接傳送給先進控制的操作變量，從得到的新的決策變量將直接傳送給先進控制的操作變量，從而實現(xiàn)實時優(yōu)化控制。而實現(xiàn)實時優(yōu)化控制。42三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖三、實時優(yōu)化系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖u判據(jù)：系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進入等待狀態(tài)，斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進入等待狀態(tài)，過一定時間后再重新開始

35、。過一定時間后再重新開始。u數(shù)據(jù)核實階段：系統(tǒng)接收裝置的測量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進行測量數(shù)據(jù)核實，將數(shù)據(jù)分為壞、不合理和合理的三類，分別給予不同處理 數(shù)據(jù)核實階段的主要任務：探測過失誤差。u數(shù)據(jù)校正： 進行裝置的穩(wěn)態(tài)模擬，目標函數(shù)是使實際裝置的測量數(shù)據(jù)和模型計算值的差值的平方和最小。43數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)模擬數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)模擬裝置模型參數(shù)是否符裝置模型參數(shù)是否符合裝置實際生產(chǎn)情況合裝置實際生產(chǎn)情況44u參數(shù)評估：系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接受來自裝置的、作為判據(jù)的測量數(shù)據(jù)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，則進入等待狀態(tài)，判斷裝置是否處于穩(wěn)態(tài)，假如是穩(wěn)態(tài)，

36、則進入等待狀態(tài)，過一定時間后再重新開始。過一定時間后再重新開始。u數(shù)據(jù)核實階段：系統(tǒng)接收裝置的測量數(shù)據(jù)和原料、產(chǎn)品、公用工程價格以及各自的上下限數(shù)據(jù)，進行測量數(shù)據(jù)核實，將數(shù)據(jù)分為壞、不合理和合理的三類，分別給予不同處理 數(shù)據(jù)核實階段的主要任務：探測過失誤差。u數(shù)據(jù)校正： 進行裝置的穩(wěn)態(tài)模擬，目標函數(shù)是使實際裝置的測量數(shù)據(jù)和模型計算值的差值的平方和最小。45四、實時優(yōu)化的方程組集形式四、實時優(yōu)化的方程組集形式實時優(yōu)化的計算速度必須滿足過程控制的要求。實時優(yōu)化的計算速度必須滿足過程控制的要求。p 過程穩(wěn)態(tài)模擬：過程穩(wěn)態(tài)模擬： “模塊法模塊法”的方程組集形式；的方程組集形式； “序貫法序貫法”的求解

37、方法；的求解方法； 特點：特點：單元過程的模型和數(shù)學解法以及有關的工程知識結(jié)單元過程的模型和數(shù)學解法以及有關的工程知識結(jié)合在一起；流程模擬時采用序貫法求解。合在一起；流程模擬時采用序貫法求解。p 實時優(yōu)化：實時優(yōu)化： 開放形式或基于方程的方程組集形式；開放形式或基于方程的方程組集形式； “聯(lián)立方程聯(lián)立方程”的求解方法；的求解方法； 特點：特點：（1）單元過程的模擬僅僅是一組描述過程的模型方程，單元過程的模擬僅僅是一組描述過程的模型方程，不僅包含任何求解方法，應用通用求解軟件，對整個裝不僅包含任何求解方法，應用通用求解軟件，對整個裝置全部單元過程的所有模型方程聯(lián)立求解。置全部單元過程的所有模型方程聯(lián)立求解。46 特點：特點：（2）由于采用了開放形式方程，裝置的同一模型方程可由于采用了開放形式方程，裝置的同一模型方程可以應用于過程模擬、數(shù)據(jù)校正、參數(shù)估值及裝置優(yōu)化等以應用于過程模擬、數(shù)