[发明专利]一种间歇反应过程的变周期协同优化控制方法

说明书

本发明提供了一种苯胺间歇加氢过程中的基于经济模型的协同优化控制方法。该方法根据系统的含经济数据的机理模型建立兼具经济收益与平滑控制的目标函数；将批次长度与批次生产输入变量一起作为优化操纵变量；依据过程的安全、产量指标设定操纵变量、中间状态变量约束；形成具有非线性等式、不等式约束的动态优化问题。利用控制曲线参数化方法，将动态优化问题转化为非线性规划问题(Nonlinear Programming NLP)，利用基于随机搜索的寻优算法求解该NLP问题。应用滚动时域控制方法，将求解的操纵变量应用在苯胺间歇加氢反应中，达到经济地管理并控制批次过程，使得整体生产达到经济上的最优。

技术领域

本发明涉及苯胺间歇加氢过程的优化领域，尤其涉及基于经济模型的变批次周期的优化，与多变量协同控制方法。

背景技术

间歇过程是现代化工的一种重要生产形式，和连续过程相比，间歇过程更加灵活和经济，因为同一设备可以根据市场需求生产不同产品。间歇过程广泛应用的领域有食品、药品、油漆和特种化学品等精细化工行业。过去二十年间歇生产渐渐复苏，而今后的几十年，这种趋势也将继续，因为现代工业需要多品种、多规格、高附加值的精细化学品。

从操作优化与质量控制角度来讲，间歇反应过程具有非稳态、非线性、多时段特性，这对间歇反应过程的控制系统设计提出挑战，需要新的非传统的过程控制与优化理论以及应用技术，保证不同批次之间产品高品质的一致性。间歇过程的一个重要特征是有限时间性，也即每个生产批次在有限的批次时长内完成。很多方法会将批次的完成时间固定为常数，以充分利用批次重复性进行迭代优化。然而批次长度却是一个与间歇生产计划相关的重要参数，固定的批次长度导致批次生产本身的灵活性及高效被限制。有学者将分批过程的终止时间以及反应物初始浓度作为优化自由度，在微生物发酵分批补料的过程中应用了自由终端的优化控制。也有研究者还将自由终点的方法配合EMPC证明了非固定终端在间歇系统中的可行性，说明了在某些条件下可以达到满意的收敛效果。

针对间歇过程的优化控制最常用的方法是分层的优化控制结构：动态实时优化(DRTO)与非线性模型预测控制(NMPC)通常是双层优化控制结构的最佳选择。例如M.A.GREAVES等人使用动态优化的方法实时计算设定值轨迹，然后用控制器跟踪设定。但是分层的优化与控制在实际运用上面临两次的优化计算，较大的计算量使其实时性不能保证。并且因为间歇过程由于操作区间跨度大而导致的强非线性，分层的结构通常导致上下层的可达性适配不佳。针对此，关宏伟等提出了一种基于经济模型预测控制(EMPC)的动态实时优化方法，不同于传统的模型预测控制，EMPC将经济类指标直接作为滚动优化的目标函数，在每个采样时刻求解滚动窗口内的最优操作序列。和双层优化方法相比，基于EMPC的单层优化控制方法，更是一种优化控制方法。因为它的目标函数形式既能保证动态最优性，又能提高经济收益。虽然实际在大型系统中，双层的优化控制能更好地处理存在复杂耦合关系的生产过程，但是在变量关系较为明晰的基本过程单元的控制中，单层的优化控制在计算量与灵活性方面有明显的优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何在苯胺间歇加氢过程的优化与控制中考虑批次长度对于一批次生产经济效益的影响，并使优化调度与控制融合，从而提高系统全流程经济效益。

为了解决这一技术问题，一种苯胺间歇加氢的变批次长度协同优化控制方法，该方法包括如下步骤：

S01：依据实时接收到的系统温度、压力、流量等信号，建立由原料、产品的市场价格和装置耗能数据等决定的动态经济优化问题；

S02：将S01所得动态优化问题通过控制向量参数化法转化为非线性规划问题，并采用基于改进的加权惩罚函数的Nelder-Mead单纯形法，求解得到最优控制序列，计算当前最优批次长度；

S03：采用基于实时优化的滚动时域控制方法，将S01所得的控制向量的解的第一步应用于控制过程系统。在经历一个控制周期后重新测量系统的温度、压力、流量等信号，并在当刻时间点上重新建立优化问题，以确保控制的实时性与优化的有效性；