点击数: 更新日期: 2021-11-02
论文标题：The abnormal situation with reversal characteristic in chemical processes: Local monitoring and self-recovery
发表期刊：Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers（JCR Q1，II区， IF 4.794 (2019)）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.09.003
作者列表：
（1） 陈波 信息科学与工程学院 自动化系 (博17级)
（2） 罗雄麟 信息科学与工程学院 自动化系 (通讯作者)
（3） 万鑫 信息科学与工程学院 自动化系
文章简介：
本文引入并构造了具有反转特性的异常情况，提出了基于长-短时间窗的异常情况监测策略，以确定系统特性是否反转。增加一个附加输入，形成双重控制，以改善系统特性，并将主输入控制回稳态值。在双重控制的基础上，采用切换控制来改变控制作用，使控制回路成为负反馈。在著名的田纳西-伊斯曼过程中进行了测试，证明了监控策略和自恢复方法的可行性和有效性。特别是，第二种切换控制方案，它累积了输入的变化，可以减少控制器的切换次数，使系统更快地恢复到正常状态，比第一种方案没有累积输入的变化有更好的效果。
对于化工过程中的一些异常情况，由于输入的变化，系统特性会发生反转，从而威胁到化工过程的安全，因此迫切需要用反转特性来监测和消除这种异常情况。然而，传统的监测策略不能监测系统特性的变化，也不能确定系统特性何时反转。因此，提出了基于长-短时间窗口的局部监控策略来解决这一问题。然后，为了避免事故发生并自动恢复系统性能，提出了第一种自恢复方案，即采用双重控制改善系统特性，采用切换控制使控制回路为负反馈，但不累积输入的变化。此外，为了弥补检测延迟并增加对系统的影响，将输入的变化累积起来形成第二种自恢复方案。在田纳西-伊斯曼过程中进行测试，所提出的监测和自恢复方案能够很好地处理这种异常情况，第二种方案的效果优于第一种方案。
对于化工过程，由于外部或内部因素，系统特性不会保持不变，而反转特性是系统特性将变为相反特性的典型情况。在这项工作中，反向特性可以被认为由两个相反的特性组成，换句话说，输入和输出之间的关系由两个相反的关系组成。随着输入的增加或减少，系统特性将发生变化，当输入超过一定值时，系统特性甚至会变得与原始系统特性相反。然后，对于控制回路，负反馈变为正反馈，系统将不稳定，工况由正常变为异常，从而威胁到化工过程的安全。因此，迫切需要监测和消除这种具有反转特性的异常情况。然而，传统的监控策略无法监控系统特性的变化，无法确定系统特性何时反转，目前还没有有效的过程恢复方法来恢复这种异常情况下的系统性能。
为了在具有反转特性的异常情况发生时恢复系统性能，应及时切换控制效果，即设计基于自恢复的切换控制。如图1的红色部分所示，这些控制器与相应的黑色部分具有相反的控制效果。图1中的蓝色部分是监控策略，该策略是本文提出的监控方法，通过监控和分析输入和输出数据来确定使用原始控制器或自恢复控制器。
图1.局部监控和自恢复方案框图。
以TE过程为例（图2）
图2.TE过程P&ID图。
实验结果如图3-6所示。
图3.反应器温度（输出）和搅拌速度控制阀（输入）之间的稳态关系：不同冷却水流量下的不同关系。
图4.不采用自恢复方案的系统变量轨迹。
图5.在不累积输入变化的自恢复作用下的系统变量轨迹。
图6.在累积输入变化的自恢复作用下的系统变量轨迹。
所提出的自恢复策略可以消除具有反转特性的异常情况的演变趋势，并通过监控过程和切换控制器有效地防止事故的发生。此外，双重控制的副回路可以缓慢改善系统特性，使主被控变量达到以前无法达到的值；因此，当可能发生反转时，双重控制系统是恢复系统的良好选择。在输入变化的累积下，可以增加输入对系统的影响，更快地改善系统特性；也就是说，当输入变化累积时，系统性能可以更好更快地恢复，即第二种方案是更好的选择。
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。