第62卷第10期化工學(xué)報(bào)Vol. 62 No. 102011年10月CIESC JournalOctober 2011張研究論文間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化9>33939393楊國(guó)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(guò)程中參數(shù)的不確定性和各種擾動(dòng)作用，間歇生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)操作條件儒要隨時(shí)作出調(diào)整以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和滿足生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。針對(duì)間歇生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中的實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，其主要構(gòu)成步驟包括動(dòng)態(tài)模型建立、模型降階、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、在線監(jiān)測(cè)、模型更新和在線調(diào)整，并以一個(gè)典型可逆酯化反應(yīng)為研究對(duì)象進(jìn)行方法和理論框架的運(yùn)用，結(jié)果表明本文提出的基于在線測(cè)量的實(shí)時(shí)優(yōu)化方法能夠很好地針對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程;在線測(cè)量;實(shí)時(shí)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(hào): TQ 021.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào): 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(chǎng)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(xì)或?qū)Ｓ没瘜W(xué)品的間歇生產(chǎn)過(guò)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(guó)軍(1985-)， 男，博士研Corresponding author: LI Xiuxi, associate professor, cexxli@究生。scut. edu. cn基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20876056, 20906028);Foundation tem: supported by the National Natural Science教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(0100102110016); 工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重Foundation of中國(guó)煤化工’。Ph. D. Programs點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目(ICT1115).Foundation of NI( 20100172110016)and the Progran:5YHC N M H Gndustial CottrolTechnology (ICT1115)..，2840●化工學(xué)報(bào)第62鲞為研究熱點(diǎn)。然而由于這些過(guò)程本身的動(dòng)態(tài)特性以此如何在生產(chǎn)過(guò)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(yùn)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(gè)亟待研究的向題([012)2.的各批次之間的操作條件的變化會(huì)帶來(lái)許多安全問本文針對(duì)間歇過(guò)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(shí)--種實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，集成當(dāng)前各種先進(jìn)理論和技由于操作過(guò)程中進(jìn)料的變化、過(guò)程參數(shù)的不確定術(shù)，針對(duì)其中的各種理論和技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以更好地性因素以及各種擾動(dòng)作用都會(huì)導(dǎo)致過(guò)程的操作策滿足間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化的要求，并進(jìn)-步尋找工業(yè)略和操作條件必須實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。而過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化應(yīng)用過(guò)程會(huì)出現(xiàn)的技術(shù)問題并尋求解決方案以進(jìn)化技術(shù)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)過(guò)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(jìn)間歇過(guò)程實(shí)變化而進(jìn)行實(shí)時(shí)的尋找最優(yōu)操作點(diǎn)或軌跡，并控時(shí)優(yōu)化的工業(yè)化進(jìn)程。最后本文以-一個(gè)典型可逆酯制過(guò)程在最優(yōu)操作條件下運(yùn)行，從而保證產(chǎn)品質(zhì)化反應(yīng)為案例進(jìn)行應(yīng)用研究，對(duì)所提出的理論進(jìn)行量的最優(yōu)與穩(wěn)定。因此研究間歇過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善.技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量控制研兗領(lǐng)域的一個(gè)重要研究1實(shí)時(shí)優(yōu)化集成策略課題?；诜€(wěn)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化已經(jīng)進(jìn)行了大量的研基于在線測(cè)量的實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)建模，動(dòng)態(tài)優(yōu)化理論，在線測(cè)量技的工業(yè)應(yīng)用案例，如Chen等[2]從20世紀(jì)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(jìn)行了大量深人的研究，并應(yīng)用于乙烯生產(chǎn)的用于過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化將成為間歇過(guò)程實(shí)時(shí)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(qiáng)型實(shí)時(shí)操作優(yōu)化，以實(shí)時(shí)操作優(yōu)化中計(jì)算的結(jié)合工業(yè)實(shí)際提出一種集合理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的集反復(fù)性和相似性為出發(fā)點(diǎn)，研究充分利用歷史求解成策略，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行間歇過(guò)程建模，其信息有效提高操作優(yōu)化性能的方法等。而針對(duì)間歇中包括測(cè)試、模型對(duì)比和參數(shù)校正并不斷地重復(fù)步動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)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(shí)際的過(guò)程模型，同時(shí)由段，工業(yè)應(yīng)用實(shí)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(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法間歇過(guò)程的模型難以建立，動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法不夠成熟是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)，因此針對(duì)最后得到的準(zhǔn)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(jìn)行一定的降階處理以保證實(shí)時(shí)優(yōu)化的時(shí)效素導(dǎo)致，這些也是目前國(guó)內(nèi)外研究人員研究的主要性，具體過(guò)程如圖1.內(nèi)容。如劉興高等(4]、陳德釗等[5]在動(dòng)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(guò)程控制、非I discrimination precision線性控制方面進(jìn)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(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化涉及的理論和技術(shù)比較多，包括動(dòng)態(tài)過(guò)程建模、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)校( validated model)正、在線監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化和非線性控制等1[:4),而[model其中各個(gè)理論的發(fā)展又相對(duì)比較獨(dú)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(duì)動(dòng)態(tài)圖1間歇過(guò)程建模策略過(guò)程實(shí)時(shí)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(guò)程模型后，以工業(yè)應(yīng)用為平臺(tái)建立間個(gè)針對(duì)間歇過(guò)程的實(shí)時(shí)優(yōu)化策略和框架，不僅有歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化策略，以實(shí)際過(guò)程和過(guò)程模型為中利于促進(jìn)各個(gè)理論有效合理的發(fā)展，還能更加直心，利用在線測(cè)量、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)校正和參數(shù)估計(jì)等技接地促進(jìn)間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化術(shù)將實(shí)際過(guò)程和模型連接起來(lái)，主要利用過(guò)程測(cè)量應(yīng)用。數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)優(yōu)化針對(duì)模型在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，許多過(guò)程參數(shù)往往難于獲進(jìn)行控制，.中國(guó)煤化工至模型預(yù)測(cè)控得準(zhǔn)確的值，特別是間歇生產(chǎn)過(guò)程，由于其本身的制，模型預(yù)MHCNMHG過(guò)程進(jìn)行跟蹤動(dòng)態(tài)特性使得過(guò)程參數(shù)在過(guò)程中產(chǎn)生波動(dòng)變化，因控制，如圖2。第10期楊國(guó)軍等:間歇過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化●2841●parameter update2.2模型降階模型降階方法主要通過(guò)將B、C、D分別用物model predictivebatch process toff-linecontrol料A的溶度表示以減少過(guò)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(guò)程實(shí)時(shí) 優(yōu)化策略dFig.2 Real- time optimization strategy for batch process并由式(9)兩邊進(jìn)行從0到t的積分得C。-VCw+皇(C.-VCm-C+￥cr) (10)2動(dòng)態(tài)過(guò)程建模同理可得2.1動(dòng)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(jiǎn)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(guò)程示意圖B動(dòng)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(biāo)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(shí)刻的測(cè)量值，另一部分為從當(dāng)前t時(shí)刻至結(jié)di東tp時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，具體表述為:d(VCg)但=- bRAV(3)目標(biāo)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(hào)(T,-D+ HR+A