一种基于前馈-反馈的化工过程连续迁移策略

成果名称：一种基于前馈-反馈的化工过程连续迁移策略

题目: Novel feedforward-feedback-based continuous process transition strategy for chemical industry

发表期刊: Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering, 2022 (SCI, JCR Q3)

DOI: https://doi.org/10.1002/apj.2869

作者列表:

1)曹欣宜 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系博18

2)许 锋 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系教师

3)罗雄麟 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系教师

文章简介

作为一种应用于系统工况大范围迁移时的调节手段，迁移策略本质上没有反馈补偿这一环节，其得到的操作变量最优迁移轨迹，实际上是操作变量的参考轨迹，因此对干扰没有调节作用。为确保系统安全平稳地运行，需要将迁移与控制协调起来，即通过闭环控制结构实现过程迁移。现有的常规反馈协调方案虽然可以满足这一需求，但是存在抗干扰性较差的缺点。一旦扰动因素增多，系统很容易接近甚至超过允许范围。为此，本文提出了一种引入操作变量参考轨迹的迁移与控制协调方案，该方案通过添加操作变量参考轨迹的方式来减轻反馈控制系统的负担。当干扰出现时，所提出的协调方案能够积极响应并补偿干扰带来的负面影响，使得系统能快速回到期望状态。由于抗干扰能力增强，系统在允许范围内的操作空间很大，因此该方案的应用范围更广。此外，在协调方案的求解运算方面，对于常规优化解法运算复杂且繁琐的缺点，本文还针对所提协调方案配备了相应的解析解法，充分利用了已有工作结论，从而降低计算成本。

设计与实现

考虑到化工过程控制系统的稳定性以及可靠性，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。另外，在衡量了计算成本带来的挑战的同时，进一步为该协调方案开发了相应的解析解法。

在现有的常规反馈协调方案中，操作变量完全由控制器的输出决定，对干扰的调节能力较差。对此，本文采用添加参考轨迹的方式来预加载操作变量，以降低反馈控制的负担，进而提出了一种引入操作变量参考轨迹的前馈-反馈协调方案，如图1所示。

图1 所提协调方案的控制结构

不同于只需设定被控变量设定值的常规反馈协调方案，所提方案的被控变量设定值

以及操作变量参考轨迹

都需要被设定。控制系统实际上为前馈-反馈控制结构。操作变量参考轨迹相当于前馈控制，用于处理已知的扰动，如由工况迁移引起的大范围波动。对于其余的未知扰动，采用反馈控制作为补充，来消除其影响。操作变量通过前馈控制实现大范围的变化，大大减轻了反馈控制的压力。反馈控制起到的作用只是补偿实际操作变量与理想操作变量之间的偏差，其输出占比较少，响应速度快。所提协调方案集开环控制与反馈控制的优点于一身，将工况迁移与消除扰动两大功能分开，使得系统可以快速消除由不同作用带来的不良影响，抗干扰能力增强。

对于上图所示的协调方案控制结构，控制器设定值和操作变量参考轨迹均需给定。

和

为平稳过程的相应值，

和

为迁移过程的相应值。两种过程模式通过联动开关进行切换。当系统进入平稳过程时，切换到模式A。控制系统为定值控制系统，

为操作变量的稳态值，

为被控变量的稳态值，两者均可通过稳态优化得到。当系统进入迁移过程时，切换到模式B。控制系统为伺服控制系统，

为已知的操作变量开环最优控制律，那么迁移问题的待求解变量仅为

。

系统进入迁移模式后，在没有干扰的理想情况下，也就是当被控变量的输出值

能够完全跟踪设定值

时，输入到PID控制器的偏差为0，则控制器的输出

也为0，如下所示。

那么，操作变量控制律

即为开环最优控制律

，如下所示。

操作变量作用于对象后，

即为开环最优控制律

作用于对象而得到的被控变量输出值，同时也是控制器的设定值

。则

可表示如下。

与常规优化解法相比，所提出的解析解法可根据已知的操作变量开环控制律进一步推导出相应的反馈控制器设定值，从而避免了优化解法运算复杂等缺点。额外地，在对所提协调方案的推导计算中不涉及控制器的作用，这从根本上避免了控制器参数带来的影响，进一步降低了运算复杂度。

实验结果及分析

本文以乙烯精馏塔迁移过程为例来评估协调方案的性能。采用gPROMS和Aspen Properties完成对乙烯精馏塔的仿真。首先在无扰动的情况下测试协调方案的跟踪性能。各操作变量开环连续迁移轨迹如图2b及图2c所示。采用现有常规反馈方案和所提方案需要给定的条件的计算结果如表1所示，其中P和I分别代表比例参数和积分参数。

表1 温度控制器的设定值及参数计算结果

将上述求解结果应用于乙烯精馏塔的工况迁移过程。在没有干扰的情况下，两种协调方案的迁移结果如图2所示。

图2 无干扰的迁移过程

图2b表明，通过现有常规反馈协调方案和所提出的协调方案获得的最终作用于对象的控制律与开环最优控制律相符。这说明两种协调方案都可以通过闭环控制结构来实现工况迁移，跟踪能力较强，证明了所提协调方案的有效性。此外，图2a显示，不同协调方案的控制器设定值的最优迁移轨迹有所不同。这意味着对于不同的控制结构，控制器设定值的恰当选择是非常关键的。

对于因进料流量增加而引起的乙烯精馏塔工况迁移，本文选择进料组成作为扰动因素来评估协调方案的抗干扰能力。另外，由于进料中甲烷和氢气的占比较少，因而组分的波动主要体现在乙烷和乙烯的浓度上，如图3a所示。现有的常规反馈方案和所提方案在扰动作用下的迁移结果如图3所示，迁移效果的评价指标如表2所示。

图3 有干扰的迁移过程

表2 迁移效果的评价指标

图3表明，当迁移过程中存在其他干扰时，在无闭环控制回路的情况下，即不考虑迁移与控制的协调，系统没有抵御干扰的能力。开环控制结构中乙烯产品质量失去控制甚至超出允许范围，这不仅将造成生产及安全事故，还会影响后续工艺的正常进行。同时，这也证明了研究迁移与控制协调方案的必要性。

图3d显示，现有常规反馈协调方案和所提协调方案均能对扰动作出补偿。闭环控制结构中乙烯产品质量被控制在可接受的范围内，且最终达到期望状态。表2表明，当迁移过程受到扰动影响时，与已有的常规反馈方案相比，所提方案的迁移效果得到显著改善，迁移过程中乙烯产品组分的偏差、最大偏差以及均方误差均明显减少。所提方案对干扰的响应速度更快，系统能够更快地达到期望状态，具有更强的抗干扰能力。并且，由于现有常规反馈方案的抗干扰能力不理想，其对应的乙烯产品质量在临界值内的操作范围很小。一旦扰动因素增多，产品质量很容易接近甚至超过临界值。因此，所提出的抗干扰能力更强的协调方案具有更广泛的应用范围。

结论

本文主要讨论了工况迁移策略在控制系统中的具体实现。首先，分析了迁移与控制需相协调的必要性以及现有协调方案的不足。随后，提出了一种引入操作变量参考轨迹的前馈-反馈协调方案。相较于现有的常规反馈协调方案，所提协调方案融合了过程迁移策略与过程控制策略的优势，能够有效地消除各种不利影响，提高了系统的抗干扰能力。另外，针对所提协调方案开发的解析解法充分利用了已知条件，通过推导计算代替复杂的优化求解操作，进而降低了协调方案的计算成本。最后，以进料波动的乙烯精馏塔为例验证了所提协调方案的可行性以及优越性。结果表明，在系统不受干扰的情况下，现有常规反馈方案与所提方案均能取得良好的迁移效果。而当系统存在干扰时，所提方案比常规反馈方案的抗干扰能力更强，系统能够更快地达到期望状态。