[發明專利]基于數據驅動的原油蒸餾裝置經濟模型預測控制方法

在審

• 申請號: 201710303144.8
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107085371A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 靳其兵;馮振湘;周星
• 申請（專利權）人: 北京國控天成科技有限公司;北京化工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;C10G7/12;B01D3/42
• 代理公司: 北京恒和頓知識產權代理有限公司11014
• 代理人: 揭玉斌,胡世明

技術領域

本發明屬于石油化工的自動控制領域，特別是原油蒸餾裝置的自動控制。

背景技術

原油蒸餾裝置是石油加工的第一道工序，也是最為重要的一道工序。在原油蒸餾裝置中，原油先經過加熱爐加熱后進入精餾塔中，然后通過分餾的方法將原油分解成為石腦油、煤油、柴油、常壓瓦斯油和渣油等。由于原油蒸餾裝置能耗高且產物經濟價值高，所以如何降低原油蒸餾裝置的能耗同時提高產物所產生的經濟價值對于石油化工企業是十分重要的。PID控制器由于其原理簡單且易于調節，所以在實際現場中常采用的控制器為PID控制器，但是PID控制器僅僅能使對象的輸出追蹤上設定值，而無法考慮經濟因素，這也成為石化企業提高收益的一大阻礙。經濟模型預測控制技術的提出就可以解決PID控制技術無法考慮經濟因素這一問題，但是由于原油蒸餾裝置是一個多變量、強耦合以及非線性的系統，所以我們很難得到原油蒸餾裝置的一個精確的模型。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出了基于數據驅動的原油蒸餾裝置經濟模型預測控制方法，包括以下步驟：

S1、計算原油蒸餾裝置系統的相對增益矩陣，根據相對增益矩陣對原油蒸餾裝置的控制回路進行匹配；

S2、將測試激勵信號加入到開環系統中，采集系統的輸出；

S3、根據輸入輸出的數據，通過支持向量回歸算法對原油蒸餾裝置進行建模；

S4、將步驟S3得到的模型作為經濟模型預測控制方法中的預測模型；

S5、根據生產要求給出模型預測控制器追蹤的設定值，并且根據能源價格和產品價格給出經濟指標，綜合以上兩者給出模型預測控制器的目標函數；

S6、將模型預測控制器應用于裝置的控制中，根據實際要求對裝置的各個控制變量進行搜索求解，將最優的控制序列應用到裝置的各個控制變量中，實現在產品質量合格的條件下使得經濟效益最大化的目標。

所述S1中的相對增益矩陣，是通過加入很小的階躍激勵信號，獲得各回路的穩態增益，通過穩態增益獲得相對增益矩陣，根據相對增益矩陣的各元素值來選擇控制回路匹配對。

所述S2中的激勵信號，在這里采用的是M序列。

所述S3的具體步驟為：

S301、由于系統的非線性，所以在支持向量回歸中使用徑向基函數(RBF函數)作為核函數，即：

則，

可通過對偶問題化為：

s.t.

y_q(i)-<w_q,Φ(x_i)>-b_q≤ε_q+ξ_i，i＝1,…,N

<w_q,Φ(x_i)>+b_q-y_q(i)≤ε_q+ξ_i′，i＝1,…,N

ξ_i,ξ_i′≥0，I＝1,…,N

其中，K為核函數，x_i為第i個輸入信號的特征，x′為支持向量，g為RBF函數的設置參數，是第i輸入的預測輸出，w_q是特征空間F的一個向量，Φ代表從低維空間到高維空間F的映射，b_q是偏差項，為一個中間變量，ε_q是第q個輸出的誤差上界，ξ_i,ξ_i′是松弛變量，‖·‖是二范數，C為支持向量回歸算法的懲罰參數；

S302、系統的動態特性可由非線性自回歸帶外源輸入的模型表示(NARX)，即：

y_q(n)＝f_q(u₁(n),…,u₁(n-n₁),…,u_R(n),…,u_R(n-n_R),y_q(n-1),…,y_q(n-m_q))