論文題目：Economic optimization of chemical processes based on zone predictive control with redundancy variables

發表期刊：Energy（2020 JCRQ1 TOP）

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118586

作者列表：

1） 萬  鑫 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 博17級

2） 羅雄麟 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 自動化系

簡介：

本文提出了一種基于冗余控制變量的優化控制策略，以提高控制系統的經濟效益。區域控制。當系統在區域控制目標外部時，區域預測控制算法用于優先將狀態驅動到區域控制目標內部。當系統進入區域控制目標時，可以使用冗余控制變量直接對其進行優化，以實現更大的經濟效益。通過數值仿真驗證了該策略的有效性和可行性。結果表明，該策略可以減少系統的經濟損失。

摘要：

區域控制是將控制目標從點擴展到凸集。附加的自由度可以改善控制性能并優化經濟性能。這種附加的自由度已被證明專門由冗余控制變量表示。本文提出了一種基于冗余控制變量的優化控制策略，以提高控制系統的經濟效益。區域控制。當系統在區域控制目標外部時，區域預測控制算法用于優先將狀態驅動到區域控制目標內部。當系統進入區域控制目標時，可以使用冗余控制變量直接對其進行優化，以實現更大的經濟效益。在系統運行期間，每個變量都由穩態映射模型評估，并且滿足某些條件的變量被標記為冗余變量?？刂破骱蛢灮骰诖藰撕炦M行協調，以實現系統控制和經濟性能。最后，通過數值仿真驗證了該策略的有效性和可行性。結果表明，該策略可以減少系統的經濟損失。

背景和動機

生產過程的效益包括許多綜合因素，其中產品的銷售占主要部分。 產品的銷售與產品的質量有關，例如產品中每種組分的比例。 因此，在設計控制策略時，通常將每個組分或可以表征這些組分的其他變量（例如壓力和溫度）用作控制變量。 但是，這種簡單的考慮忽略了額外的成本，例如能耗和污水處理。 同時，這些額外成本與系統的輸入或輸出變量有關。 因此，在設計系統優化策略時應考慮這一部分。

本文以能源與經濟優化為目的，提出了一種基于冗余控制變量的優化策略。該策略能夠被使用在區間控制的框架下。當系統在設置區域之外時，由區域預測控制器進行控制，以便系統可以快速進入設定目標。當控制器進入設定目標的內部時，意味著控制目標已經實現，產品質量已經滿足需求。此時，可以優化系統的經濟性能。 盡管經濟優化通常與控制性能不兼容，但在區間控制的框架下可以利用其潛在的自由度協調這兩種關系。系統的外部干擾等因素可能會打破這種優化與控制共存的狀態。在這種情況下，控制策略應當及時切換以免產品質量受到影響。整個系統將處于這種動態平衡過程中。

設計和實現

當控制連續的生產過程時，整個控制系統可能具有兩個工作狀態?？刂颇Ｊ胶蛢灮Ｊ?。值得注意的是，以優化模式運行的系統不會完全關閉控制器。在本文提出的框架中，優化基于冗余控制變量，這意味著有一個優化器來調整冗余變量，而其余變量仍在區域控制器的控制之下。

圖1.系統操作狀態切換示意圖（滿足有向線段切換條件時，系統操作狀態將改變）。

數值模擬實驗結果

以SHELL重油初餾塔為例（圖2）

圖2.SHELL重油初餾塔P&ID圖。

實驗結果如圖3，圖4所示。

圖3.系統離線仿真圖（每個點都是穩態工作點，以及從初始時刻到穩態工作點的時間）。

圖4.系統狀態軌跡以及經濟損失隨時間變化曲線。

數值實驗表明，本文提出的并行結構優化策略是可行的。 在實際應用中，應注意選擇優化器的采樣周期和冗余間隔。 在該實驗中，由于冗余間隔太大，因此第二階段的系統狀態超出了控制目標。 因此，當設計冗余間隔時，可以適當地減小它以獲得更穩定的控制性能。

作者簡介

羅雄麟，博士

現任中國石油大學（北京）教授、博士生導師、自動化專業（教育部高等學校特色專業）負責人、控制科學與工程（博士一級）學科負責人，校學術委員會委員、校學位委員會委員。北京人工智能學會理事會常務理事、北京自動化學會理事會常務理事。

控制理論與過程控制、化工系統工程、機器學習學者?？蒲泄ぷ魃婕翱刂评碚摷皯?、過程控制工程、過程系統工程和機器學習等，同時長期從事煉油化工過程軟測量儀表與先進控制、過程流程模擬與實時優化等技術開發與工程應用工作。

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