论文题目：Economic optimization of chemical processes based on zone predictive control with redundancy variables

发表期刊：Energy（2020 JCRQ1 TOP）

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

作者列表：

1） 万  鑫 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 博17级

2） 罗雄麟 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系

简介：

本文提出了一种基于冗余控制变量的优化控制策略，以提高控制系统的经济效益。区域控制。当系统在区域控制目标外部时，区域预测控制算法用于优先将状态驱动到区域控制目标内部。当系统进入区域控制目标时，可以使用冗余控制变量直接对其进行优化，以实现更大的经济效益。通过数值仿真验证了该策略的有效性和可行性。结果表明，该策略可以减少系统的经济损失。

摘要：

区域控制是将控制目标从点扩展到凸集。附加的自由度可以改善控制性能并优化经济性能。这种附加的自由度已被证明专门由冗余控制变量表示。本文提出了一种基于冗余控制变量的优化控制策略，以提高控制系统的经济效益。区域控制。当系统在区域控制目标外部时，区域预测控制算法用于优先将状态驱动到区域控制目标内部。当系统进入区域控制目标时，可以使用冗余控制变量直接对其进行优化，以实现更大的经济效益。在系统运行期间，每个变量都由稳态映射模型评估，并且满足某些条件的变量被标记为冗余变量。控制器和优化器基于此标签进行协调，以实现系统控制和经济性能。最后，通过数值仿真验证了该策略的有效性和可行性。结果表明，该策略可以减少系统的经济损失。

背景和动机

生产过程的效益包括许多综合因素，其中产品的销售占主要部分。 产品的销售与产品的质量有关，例如产品中每种组分的比例。 因此，在设计控制策略时，通常将每个组分或可以表征这些组分的其他变量（例如压力和温度）用作控制变量。 但是，这种简单的考虑忽略了额外的成本，例如能耗和污水处理。 同时，这些额外成本与系统的输入或输出变量有关。 因此，在设计系统优化策略时应考虑这一部分。

本文以能源与经济优化为目的，提出了一种基于冗余控制变量的优化策略。该策略能够被使用在区间控制的框架下。当系统在设置区域之外时，由区域预测控制器进行控制，以便系统可以快速进入设定目标。当控制器进入设定目标的内部时，意味着控制目标已经实现，产品质量已经满足需求。此时，可以优化系统的经济性能。 尽管经济优化通常与控制性能不兼容，但在区间控制的框架下可以利用其潜在的自由度协调这两种关系。系统的外部干扰等因素可能会打破这种优化与控制共存的状态。在这种情况下，控制策略应当及时切换以免产品质量受到影响。整个系统将处于这种动态平衡过程中。

设计和实现

当控制连续的生产过程时，整个控制系统可能具有两个工作状态。控制模式和优化模式。值得注意的是，以优化模式运行的系统不会完全关闭控制器。在本文提出的框架中，优化基于冗余控制变量，这意味着有一个优化器来调整冗余变量，而其余变量仍在区域控制器的控制之下。

图1.系统操作状态切换示意图（满足有向线段切换条件时，系统操作状态将改变）。

数值模拟实验结果

以SHELL重油初馏塔为例（图2）

图2.SHELL重油初馏塔P&ID图。

实验结果如图3，图4所示。

图3.系统离线仿真图（每个点都是稳态工作点，以及从初始时刻到稳态工作点的时间）。

图4.系统状态轨迹以及经济损失随时间变化曲线。

数值实验表明，本文提出的并行结构优化策略是可行的。 在实际应用中，应注意选择优化器的采样周期和冗余间隔。 在该实验中，由于冗余间隔太大，因此第二阶段的系统状态超出了控制目标。 因此，当设计冗余间隔时，可以适当地减小它以获得更稳定的控制性能。

作者简介

罗雄麟，博士

现任中国石油大学（北京）教授、博士生导师、自动化专业（教育部高等学校特色专业）负责人、控制科学与工程（博士一级）学科负责人，校学术委员会委员、校学位委员会委员。北京人工智能学会理事会常务理事、北京自动化学会理事会常务理事。

控制理论与过程控制、化工系统工程、机器学习学者。科研工作涉及控制理论及应用、过程控制工程、过程系统工程和机器学习等，同时长期从事炼油化工过程软测量仪表与先进控制、过程流程模拟与实时优化等技术开发与工程应用工作。