中文題目:基于逆系統的原油換熱網絡解耦設計和控制策略
論文題目:Inverse system based decoupling design and control strategy for crude oil heat exchanger networks.
錄用期刊/會議:Applied Thermal Engineering(中科院大類 2區)
原文DOI:10.1016/j.applthermaleng.2024.124509
原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135943112402177X
錄用/見刊時間:2024/9/30
作者列表:
1)孫 琳 中國石油大學(北京)人工智能學院 自動化系教師
2)萬傳昌 中國石油大學(北京)人工智能學院 控制科學與工程專業 碩 23級
3)朱添宇 中國石油大學(北京)人工智能學院 控制科學與工程專業 碩 20級
4)羅雄麟 中國石油大學(北京)人工智能學院 自動化系教師
摘要:
本文研究一種原油換熱網絡的解耦控制方法。首先,基于復雜網絡理論,采用符號有向圖(SDG)模型來識別所需的控制變量。隨后,通過主成分分析方法及相關評價指標構建初始控制器,并進行控制變量配對。由于所提出的系統為多輸入多輸出控制系統,針對多變量系統中的耦合問題,本文提出一種基于神經網絡逆系統理論的解耦控制策略。通過可逆性推導證明逆系統的存在性。最后,該解耦控制系統應用于原油蒸餾單元中的換熱網絡,與非解耦控制策略相比,原油出口溫度波動值平均降低57.1%,且在不同操作條件下系統的平均絕對百分比誤差保持在0.02以內。實驗結果表明,所提出的解耦控制方法展現出優異的解耦性能,有效提升系統的整體控制效果。
背景與動機:
換熱網絡在實際運行過程中,由于操作條件和擾動等影響,系統會偏離設計的最佳運行狀態,為保證換熱網絡能量回收的效率,需要對已經設計好的換熱網絡進行控制,由于換熱網絡是多變量系統,各控制回路之間的耦合關系會影響系統的控制效果,因此需要進行解耦控制方案設計,以提高換熱網絡的控制效果和經濟效益。
設計與實現:
1. 基于SDG模型的關鍵變量識別
本文為確定換熱網絡中的關鍵變量,建立一個復雜原油換熱網絡的SDG模型。如圖所示,其中,節點表示換熱網絡中的流股溫度,有向邊表示換熱流股之間的關系。復雜原油換熱網絡的SDG模型:R可由以下四部分組成。
圖1 復雜原油換熱網絡SDG模型.
2. 可逆性證明
為利用逆系統解耦理論,必須先證明系統的可逆性。
首先,建立換熱網絡中耦合系統的狀態空間方程。
在此基礎上,通過交互式算法證明換熱網絡系統的可逆性。
Step 1:計算出換熱網絡的輸出變量Y對時間t的導數,直到它成為輸入變量U的顯函數。
Step 2:通過公式(2)計算系統的Jacobi矩陣。
在系統運行過程中,換熱器的換熱面積和換熱系數均不為零,且定義為負值。故,根據隱函數定理,換熱網絡逆系統的存在性被證明。
實驗結果及分析:
本文采用MAPE來評價控制策略的性能。圖2.1可以看出,所提出的解耦控制方案的MAPE較小,說明解耦控制方案對溫度變化具有較好的跟蹤性能。從圖2.2可以看出,解耦控制方案下的原油溫度波動值比常規控制方案下的原油溫度波動值小,更接近設定值。與常規控制方案相比,解耦控制方案下溫度的波動值分別降低57.5%、57.1%和56.8%。說明所提出的解耦控制方案的有效性。
圖2.1 MAPE 圖2.2 原油溫度波動范圍
圖2 仿真結果分析
結論:
針對換熱網絡在多變量控制系統設計中存在的耦合問題,研究一種解耦控制策略。首先,構建換熱網絡系統的SDG模型,在此基礎上通過復雜網絡理論、主成分分析和TOPSIS方法尋找系統的關鍵變量。然后從系統結構角度對換熱網絡中的耦合結構進行分析,在此基礎上,建立系統的耦合機理模型,進一步分析系統的耦合特性;并通過交互式算法證明換熱網絡系統的可逆性。最后,通過BP神經網絡辨識靜態逆系統,建立神經網絡逆系統,將耦合系統解耦為獨立的偽線性系統。并通過仿真實驗證明所提方法的有效性。
通訊作者簡介:
孫琳,講師,中國石油大學(北京)人工智能學院碩士研究生導師,主要研究方向為化工過程控制,過程系統工程。