第62卷第10期化工學(xué)報Vol. 62 No. 102011年10月CIESC JournalOctober 2011張研究論文間歇過程實時優(yōu)化9>33939393楊國軍，李秀喜，陳贊，錢宇(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州510640)摘要:由于生產(chǎn)過程中參數(shù)的不確定性和各種擾動作用，間歇生產(chǎn)過程的最優(yōu)操作條件儒要隨時作出調(diào)整以保證生產(chǎn)的正常進行和滿足生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。針對間歇生產(chǎn)過程的操作條件的變化和不確定性因素的影響提出一種應(yīng)用于間歇生產(chǎn)過程中的實時優(yōu)化策略，其主要構(gòu)成步驟包括動態(tài)模型建立、模型降階、動態(tài)優(yōu)化、在線監(jiān)測、模型更新和在線調(diào)整，并以一個典型可逆酯化反應(yīng)為研究對象進行方法和理論框架的運用，結(jié)果表明本文提出的基于在線測量的實時優(yōu)化方法能夠很好地針對生產(chǎn)過程中的操作條件變化和不確定性因素的影響，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞:間歌過程;在線測量;實時優(yōu)化;參數(shù)不確定性DOI: 10. 3969/j. issn. 0438-1157. 2011. 10. 023中圈分類號: TQ 021.8文獻標志碼: A文章編號: 0438- 1157 (2011) 10- 2839- -06Real-time optimization for batch processYANG Guojun, L1 Xiuxi, CHEN Yun, QIAN Yu(School of Chemical Engineering，South China University of Technology , Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: In batch process, with uncertainty stemming from model mismatch and process disturbances, itis not sufficient to determine numerically an optimal solution on the basis of a nominal model and apply itto the process to implement an optimization-based control system. In this paper, a new integratedframework for real-time optimization of batch process with the change of operating condition and parameteruncertainty is presented. It mainly constructs with dynamic modeling, model reduction, dynamicoptimization, on-line measurement, model updating and nonlinear control. And at last, the optimizationstrategy has been applied to a typical scale reversible reaction. The results show the feasibility of theproposed strategy to deal with the change of operating condition and the effect of parameter uncertainty anda significant increase in efficient and quality of the process.Key words: batch process; on-line measurement; real-time optimization; parameter uncertainty化生產(chǎn)為主，然而隨著市場環(huán)境的變化以及人們需引]言求的不斷提高，以滿足客戶性能需求的小容量、高傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)以大宗基礎(chǔ)化學(xué)品的大規(guī)模連續(xù)附加值的精細或?qū)Ｓ没瘜W(xué)品的間歇生產(chǎn)過程開始成2011-07-13收到初稿，2011-07 -23收到修改稿。Received date; 2011 -07- 13.聯(lián)系人:李秀喜.第一作者:楊國軍(1985-)， 男，博士研Corresponding author: LI Xiuxi, associate professor, cexxli@究生。scut. edu. cn基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(20876056, 20906028);Foundation tem: supported by the National Natural Science教育部博士點基金項目(0100102110016); 工業(yè)控制技術(shù)國家重Foundation of中國煤化工’。Ph. D. Programs點實驗室開放課題基金項目(ICT1115).Foundation of NI( 20100172110016)and the Progran:5YHC N M H Gndustial CottrolTechnology (ICT1115)..，2840●化工學(xué)報第62鲞為研究熱點。然而由于這些過程本身的動態(tài)特性以此如何在生產(chǎn)過程中消除由于參數(shù)的不確定性而造及在同一設(shè)備上運行不同的生產(chǎn)批次的需要所產(chǎn)生成的產(chǎn)品質(zhì)量問題將是一個亟待研究的向題([012)2.的各批次之間的操作條件的變化會帶來許多安全問本文針對間歇過程中參數(shù)不確定性因素的影響提出題以及產(chǎn)品質(zhì)量不高或重復(fù)性差等問題[。同時--種實時優(yōu)化策略，集成當(dāng)前各種先進理論和技由于操作過程中進料的變化、過程參數(shù)的不確定術(shù)，針對其中的各種理論和技術(shù)進行改進以更好地性因素以及各種擾動作用都會導(dǎo)致過程的操作策滿足間歇過程實時優(yōu)化的要求，并進-步尋找工業(yè)略和操作條件必須實時進行更新。而過程實時優(yōu)化應(yīng)用過程會出現(xiàn)的技術(shù)問題并尋求解決方案以進化技術(shù)通過在線監(jiān)測過程參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的一步完善各種理論和技術(shù)的發(fā)展，促進間歇過程實變化而進行實時的尋找最優(yōu)操作點或軌跡，并控時優(yōu)化的工業(yè)化進程。最后本文以-一個典型可逆酯制過程在最優(yōu)操作條件下運行，從而保證產(chǎn)品質(zhì)化反應(yīng)為案例進行應(yīng)用研究，對所提出的理論進行量的最優(yōu)與穩(wěn)定。因此研究間歇過程的實時優(yōu)化進一步的驗證和完善.技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量控制研兗領(lǐng)域的一個重要研究1實時優(yōu)化集成策略課題?；诜€(wěn)態(tài)過程的實時優(yōu)化已經(jīng)進行了大量的研基于在線測量的實時優(yōu)化策略涉及的理論和技究工作，并取得了較好的研究成果，已有許多成功術(shù)主要包括動態(tài)建模，動態(tài)優(yōu)化理論，在線測量技的工業(yè)應(yīng)用案例，如Chen等[2]從20世紀80年代.術(shù)和非線性控制技術(shù)，而將這些技術(shù)集成融合并應(yīng)起就進行了大量深人的研究，并應(yīng)用于乙烯生產(chǎn)的用于過程實時優(yōu)化將成為間歇過程實時優(yōu)化技術(shù)能工業(yè)裝置中取得了一.定的效果。Shao 等[3) 提出記否工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。本文以各種現(xiàn)有理論為基礎(chǔ)憶增強型實時操作優(yōu)化，以實時操作優(yōu)化中計算的結(jié)合工業(yè)實際提出一種集合理論、實驗和應(yīng)用的集反復(fù)性和相似性為出發(fā)點，研究充分利用歷史求解成策略，利用實驗設(shè)計方法進行間歇過程建模，其信息有效提高操作優(yōu)化性能的方法等。而針對間歇中包括測試、模型對比和參數(shù)校正并不斷地重復(fù)步動態(tài)過程的實時優(yōu)化研究仍主要停留在理論探索階驟以得到盡可能符合生產(chǎn)實際的過程模型，同時由段，工業(yè)應(yīng)用實施還存在- -定距離，其主要由復(fù)雜于最后得到的模型往往比較復(fù)雜，對動態(tài)優(yōu)化算法間歇過程的模型難以建立，動態(tài)優(yōu)化算法不夠成熟是一個巨大的負擔(dān)，因此針對最后得到的準確模型以及非線性控制的工業(yè)化仍存在諸多不足等困難因需要進行一定的降階處理以保證實時優(yōu)化的時效素導(dǎo)致，這些也是目前國內(nèi)外研究人員研究的主要性，具體過程如圖1.內(nèi)容。如劉興高等(4]、陳德釗等[5]在動態(tài)優(yōu)化方面( experiment]_ preliminarymodeI pararmeter做了大量的研究工作，王樹青等[6)在過程控制、非I discrimination precision線性控制方面進行了較深人的研究并取得了一系列model reduction的研究成果。然而由于動態(tài)過程實時優(yōu)化涉及的理論和技術(shù)比較多，包括動態(tài)過程建模、動態(tài)數(shù)據(jù)校( validated model)正、在線監(jiān)測、動態(tài)優(yōu)化和非線性控制等1[:4),而[model其中各個理論的發(fā)展又相對比較獨立，理論算法和技術(shù)的不平衡或者不兼容導(dǎo)致目前仍缺乏針對動態(tài)圖1間歇過程建模策略過程實時優(yōu)化的比較有效的并且較一般性的理論和Fig 1 Model-building strategy for batch process方法，因此綜合各種有效的理論方法和技術(shù)提出一在得到過程模型后，以工業(yè)應(yīng)用為平臺建立間個針對間歇過程的實時優(yōu)化策略和框架，不僅有歇過程實時優(yōu)化策略，以實際過程和過程模型為中利于促進各個理論有效合理的發(fā)展，還能更加直心，利用在線測量、動態(tài)數(shù)據(jù)校正和參數(shù)估計等技接地促進間歇過程實時優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化術(shù)將實際過程和模型連接起來，主要利用過程測量應(yīng)用。數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)的實時更新，動態(tài)優(yōu)化針對模型在實際生產(chǎn)過程中，許多過程參數(shù)往往難于獲進行控制，.中國煤化工至模型預(yù)測控得準確的值，特別是間歇生產(chǎn)過程，由于其本身的制，模型預(yù)MHCNMHG過程進行跟蹤動態(tài)特性使得過程參數(shù)在過程中產(chǎn)生波動變化，因控制，如圖2。第10期楊國軍等:間歇過程實時優(yōu)化●2841●parameter update2.2模型降階模型降階方法主要通過將B、C、D分別用物model predictivebatch process toff-linecontrol料A的溶度表示以減少過程模型數(shù)量，首先由式optimization(3) 可以得到real-time updatingmeasurement on-!ine:data estimateiationVdCs+co __ bR,v(8)model update將式(2)代人式(8)得Hdynamic optimization- model tVdCi+c。d= b d(VCA_ bFc,(9)圖2間歇過程實時 優(yōu)化策略dFig.2 Real- time optimization strategy for batch process并由式(9)兩邊進行從0到t的積分得C。-VCw+皇(C.-VCm-C+￥cr) (10)2動態(tài)過程建模同理可得2.1動態(tài)模型Cc= Vco-&(c.-Vcw-G+Xc,) (11)以一間歇可逆反應(yīng)為案例: aA+bB= >xcC +dD,其示意圖如圖3。C=Vc∞-∈(c-￥Cw-Cr+YCr) (12)feedF Cp將式(10)~式(12)代人式(7)得reactionR = R(T,CA,V)(13)最終化簡后得模型方程為(14)([V:]-['F設(shè)x=VCA，xz=V,最終可得降階的模型方程為,cooling, jacket(15)&[2]-[-Rs+C.F]jacket coolant outjacket coolant inC。Vr式中Cao為反應(yīng)器中 A物質(zhì)的初始濃度，V。為反應(yīng)器中溶液初始體積。圖3間歇過程示意圖B動態(tài)優(yōu)化Fig.3 Schematic diagram of batch reactor3.1優(yōu)化模型物料平衡優(yōu)化目標為產(chǎn)物溶度最大或者反應(yīng)物溶度最(1)小，由兩部分組成，-部分為從開始(t=0)到當(dāng)d(VCA=R,V+ FC,(2)前t時刻的測量值，另一部分為從當(dāng)前t時刻至結(jié)di東tp時刻的預(yù)測值，具體表述為:d(VCg)但=- bRAV(3)目標函數(shù)dtd(VCc)_ LR,Vmin] = ]r<()d+ ["*x{()dt(16)it模型:式(9)和式(2)d(VCo)= LR,v5)狀態(tài)約束能量平衡出咖≤刈≤xm，2,m≤η≤I2.m出一號(T,-D+ HR+A