[发明专利]一种面向乙烯裂解炉的快速多变量预测控制方法

权利要求书

1.一种面向乙烯裂解炉的快速多变量预测控制方法，其特征在于包括离线环节和在线环节；

离线环节：根据乙烯裂解炉的扰动输入变量、控制输入变量和被控输出变量的开环测试数据得到乙烯裂解过程的动态阶跃响应数学模型和稳态数学模型；

在线环节：实时读取乙烯裂解炉的扰动输入变量、控制输入变量和被控输出变量，利用动态阶跃响应数学模型和稳态数学模型得到控制输入的稳态增量值，然后通过超前滞后校正得到控制输入值，发送至乙烯裂解炉的控制系统；

所述离线环节包括以下步骤：

(1)以裂解炉总处理量、支路1COT温差、支路3COT温差、支路1流量偏差、支路3流量偏差、1和3两支路总COT、A室稀释比、支路2COT温差、支路4COT温差、支路2流量偏差、支路4流量偏差、2和4两支路总COT、B室稀释比、烟气氧含量为被控输出变量；

(2)以支路1烃进料流量、支路3烃进料流量、支路1稀释蒸汽进料量、支路3稀释蒸汽进料量、A室燃料气压力、支路2烃进料流量、支路4烃进料流量支路2稀释蒸汽进料量、支路4稀释蒸汽进料量、B室燃料气压力和炉膛负压为控制输入变量；

(3)以裂解炉炉管出口压力、燃料气热值/燃料气密度、燃料气压力、稀释比、原料性质为扰动输入变量；

(4)读取上述扰动输入变量、控制输入变量和被控输出的开环测试数据，通过最小二乘方法辨识得到乙烯裂解过程的动态阶跃响应数学模型和稳态数学模型；

(5)设置控制参数，包括：稳态时间TTSS、控制拍数M、时间常数T₁和T₂；

所述稳态数学模型为

Δy_ss(k)＝K_uΔu_ss(k)+K_dΔd(k)

其中，Δy_ss(k)＝y_ss(k)-y_ss(k-1)，y_ss(k)表示k时刻被控输出的稳态值，Δy_ss(k)表示k时刻被控输出的稳态增量值，Δu_ss(k)＝u_ss(k)-u_ss(k-1)，u_ss(k)表示k时刻控制输入的稳态值，Δu_ss(k)表示k时刻控制输入的稳态增量值，K_u是m×p的稳态增益矩阵，K_d是m×n的稳态增益矩阵：

且，稳态增益矩阵K_u的各个元素与相应的动态阶跃响应系数模型向量a_ij有k_u,ij＝a_ij(N)；稳态增益矩阵K_d的各个元素与相应的动态阶跃响应系数模型向量b_il有k_d,il＝b_il(N)；

所述动态阶跃响应数学模型：

其中，

a_ij＝[a_ij(1)…a_ij(N)]^T，i＝1,…,p，即被控输出变量的数量为p；j＝1,…,m，即控制输入变量的数量为m；N为建模时域；a_ij的维数为N×1；

b_il＝[b_il(1)…b_il(N)]^T，l＝1,…,n，b_il的维数为N×1；

表示在k时刻全部控制量u₁,…u_m保持不变时被控输出变量在未来N个时刻的初始预测值，是一个维数为(p×N)×1的向量，的元素表示对被控输出y_i在未来N个时刻的初始预测值，是一个维数为N×1的向量，的元素表示y_i在未来第h个时刻的初始预测值；表示在k时刻全部控制量u₁,…u_m保持不变时被控输出变量在未来N个时刻的模型预测值，是一个维数为(p×N)×1的向量，的元素表示对被控输出y_i在未来N个时刻的输出预测值，是一个维数为N×1的向量，的元素表示y_i在未来第h个时刻的模型预测值，h＝1…N；A为控制输入系数矩阵，B为扰动输入系统矩阵；Δu(k)为k时刻控制输入增量值，是一个维数为m×1的向量，其元素Δu_j(k)表示控制输入u_j的控制输入增量值，u(k)表示k时刻控制输入值，是一个维数为m×1的向量；Δd(k)为k时刻扰动输入增量值，是一个维数为n×1的向量，元素Δd_l(k)表示扰动输入d_l的扰动输入增量值，d(k)为k时刻扰动输入，是一个维数为m×1的向量；

所述在线环节包括以下步骤：

1)从乙烯裂解炉的DCS得到乙烯裂解炉的被控输出值y(k)、干扰输入值d(k)、控制输入值u(k-1)；

2)通过对当前时刻的被控输出值y(k)与上一时刻对当前时刻的校正后的输出预测值做差得到当前时刻的动态误差e(k)：

其中，的元素表示对被控输出y_i的上一时刻对当前时刻的校正后的输出预测值；

3)通过动态阶跃响应数学模型计算当前时刻的输出预测值利用动态误差e(k)对当前时刻输出预测值进行校正，得到当前时刻校正后的稳态输出预测值

4)计算控制输入的稳态增量值Δu_ss(k)；

5)根据控制输入稳态增量值Δu_ss(k)及控制拍数M计算当前时刻校正前控制输入增量值Δu_T(k)＝Δu_ss(k)/M；

6)通过超前滞后校正环节，得到当前时刻控制输入增量值Δu(k)：

Δu(k)＝Transform(Δu_T(k))

其中，Transform为超前滞后校正变换，具体的连续域变换模型为

7)计算当前时刻控制输入值u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

8)将控制输入值u(k)通过OPC通讯传递给乙烯裂解炉的DCS；

所述校正后的输出预测值为k-1时刻的校正后的输出预测值，通过以下递推公式从1时刻至k-1时刻递推得到：

其中，为当前时刻校正后的输出预测值；为当前时刻的输出预测值，H是一个维数为(p×N)×(p×N)的单位阵，初始化e(0)、后每一时刻对下一时刻的校正后的输出预测值可以递推得到，则上式中k取k-1时即可得到的第(k-1)·(i-1)+1个元素即为

所述计算控制输入的稳态增量值Δu_ss(k)，当输入输出个数相等且给出输出设定点y_T时，所述控制输入的稳态增量值