本发明涉及一种裂解炉出口温度混合控制方法。现有方法控制效果不好，不适应节能减排及环保的需求。本发明方法首先采用典型的响应曲线法设计裂解炉出口温度过程的比例积分控制器，然后利用裂解炉出口温度实时过程数据建立非最小化模型预测函数控制器所需的过程模型，再设计非最小化模型预测函数比例积分控制器，根据目标函数得到当前的控制参数值。本发明提出的控制方法可以有效减少裂解炉出口温度工艺参数与实际裂解炉出口温度工艺参数之间的误差，进一步弥补了传统控制器的不足，同时保证控制装置操作在最佳状态，使生产过程的裂解炉出口温度工艺参数达到严格控制。
1.一种裂解炉出口温度混合控制方法，其特征在于该方法的具体步骤是：步骤(1).采用典型的响应曲线法设计裂解炉出口温度过程的比例积分控制器，具体方法是：Ⅰ.将裂解炉出口温度过程的比例积分控制器停留在手动操作状态，操作拨盘使其输出有阶跃变化，由记录仪表记录裂解炉出口温度输出值 ，将 转换成无量纲形式 ，具体是：其中， 是裂解炉出口温度输出值 的稳态值；
Ⅱ.选取满足 的两个计算点 和 ，依据下式计算比例积分控制器所需要的参数 、 ：
其中，为裂解炉出口温度过程的比例积分控制器输出的阶跃变化幅度；
Ⅲ.计算裂解炉出口温度过程的比例积分控制器的参数，具体是：其中 为比例积分控制器的比例参数， 为比例积分控制器的积分参数；
步骤(2).利用裂解炉出口温度实时过程数据建立非最小化模型预测函数控制器所需的过程模型，具体方法是：首先建立裂解炉出口温度实时运行数据库：将过程的比例积分控制器停留在自动操作状态，操作拨盘使其输入有阶跃变化，通过数据采集装置采集 组实时过程运行数据，将采集的实时过程运行数据作为数据驱动的样本集合，表示为 ， ，表示第 组工艺参数的输入数据， 表示第 组工艺参数的输出值；
然后以该裂解炉出口温度实时过程运行数据集合为基础建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的局部受控自回归滑动平均模型：其中， 表示当前时刻过程模型的工艺参数的输出值， 表示过程模型的工艺参数的过去时刻的输入和输出数据的集合， 表示当前过程模型工艺参数对应的控制变量， 为当前的递推步数， 表示通过辨识得到的模型参数的集合， 表示矩阵的转置，分别为对应实际过程的输出变量阶次、输入变量阶次、实际过程的时滞；
其中， 和 为辨识中的两个矩阵， ， 为遗忘因子，为单位矩阵；
步骤(3).设计非最小化模型预测函数比例积分控制器，具体方法是：a.将步骤(2)建立的过程模型转化为差分模型形式：其中， 是差分算子， 为通过转换模型得到的相关系数，为对应实际过程的输入和输出变量的统一阶次；
进一步将步骤a的模型转化为状态空间输入输出模型：其中具体的转化参数矩阵为
c.依据步骤b建立用于非最小化模型预测函数比例积分控制器设计的非最小化参数模型：
d.依据步骤c计算出的模型参数整定非最小化模型预测函数比例积分控制器的参数，具体方法是：①建立多步最优预测输出
②建立非最小化模型预测函数比例积分控制器的参考轨迹 和目标函数 ；
一种裂解炉出口温度混合控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于自动化技术领域，涉及一种裂解炉出口温度的非最小化模型预测函数（NMSSPFC）与比例积分（PI）混合控制方法。
背景技术
[0002] 裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，其运行的平稳对于整个装置的平稳操作及生产效益的提高起着至关重要的作用，其中炉管温度是重要的控制参数之一，其控制效果的好坏与裂解的深度及乙烯的收率均有直接重要的关系。 在整个装置中，裂解炉的出口温度控制在全装置中是要求严格的, 也是比较复杂的，用普通常规控制通常难以实现有效的控制。在裂解炉中，通过燃料燃烧产生大量的高温辐射烟气，同时高温辐射烟气将热量传给炉管，使炉管发生复杂的裂解反应。由于烟气在炉膛内流动，使得燃料和空气的混和程度对燃烧反应有着重要的影响，进而影响炉管吸收的热量，而燃烧过程又直接影响着燃气的流动以及传递热量过程，炉膛的吸热和传热过程对炉膛温度和燃料过程均有影响，裂解过程是一个十分复杂的燃料燃烧、流体流动、辐射传热、对流传热的综合过程。这些不利因素导致传统的控制手段精度不高，又进一步导致后续生产控制参数不稳定，产品合格率低，锅炉效率低下。目前实际工业中裂解炉出口温度控制基本上采用传统的或简单的控制手段，控制参数依赖技术人员经验，使生产成本增加，控制效果不太理想。我国裂解炉出口温度控制与优化技术比较落后，能耗居高不下，控制性能差，自动化程度低，很难适应节能减排以及间接环境保护的需求，这其中直接的影响因素之一便是裂解炉出口温度系统的控制方案问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有的裂解炉出口温度控制技术的不足之处，提供一种裂解炉出口温度混合控制方法，该方法采用基于非最小化模型预测函数控制与比例积分控制的混合控制方法。该方法弥补了传统控制方式的不足，保证控制具有较高的精度和稳定性的同时，也保证形式简单并满足实际工业过程的需要。
[0004] 本发明方法首先基于该过程建立比例积分控制回路；然后基于裂解炉出口温度实时过程数据建立过程模型，挖掘出基本的过程特性；最后通过计算非最小化模型预测函数控制器的参数，将比例积分控制与裂解炉出口温度对象整体实施非最小化模型预测函数控制。
[0005] 本发明的技术方案是通过数据采集、过程辨识、预测机理、数据驱动、优化等手段，确立了一种裂解炉出口温度系统的非最小化模型预测函数控制与比例积分控制的混合控制方法，利用该方法可有效提高控制的精度。
[0006] 本发明方法的步骤包括：
[0007] (1)采用典型的响应曲线法设计裂解炉出口温度过程的比例积分控制器，具体方法是：
[0008] a.将裂解炉出口温度过程的比例积分控制器停留在手动操作状态，操作拨盘使其输出有阶跃变化，由记录仪表记录裂解炉出口温度的输出值 ，将其转换成无量纲形式 ，具体是：
[0009] 其中， 是裂解炉出口温度输出值 的稳态值。
[0010] b.选取满足 的两个计算点 和 ，依据下式计算比例积分控制器所需要的参数 、 ：
[0011]
[0012] 其中，为裂解炉出口温度过程的比例积分控制器输出的阶跃变化幅度。
[0013] c.计算裂解炉出口温度过程的比例积分控制器的参数，具体是：
[0014]
[0015] 其中 为比例积分控制器的比例参数， 为比例积分控制器的积分参数。
[0016] (2)利用裂解炉出口温度实时过程数据建立非最小化模型预测函数控制器所需的过程模型，具体方法是：
[0017] 首先建立裂解炉出口温度实时运行数据库，将过程的比例积分控制器停留在自动操作状态，操作拨盘使其输入有阶跃变化，通过数据采集装置采集 组实时过程运行数据，将采集的实时过程运行数据作为数据驱动的样本集合，表示为 ，， 表示第 组工艺参数的输入数据， 表示第 组工艺参数的输出值。
[0018] 然后以该裂解炉出口温度实时过程运行数据集合为基础建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的局部受控自回归滑动平均模型：
[0019]
[0020]
[0021] 其中， 表示当前时刻过程模型的工艺参数的输出值， 表示过程模型的工艺参数的过去时刻的输入和输出数据的集合， 表示当前过程模型工艺参数对应的控制变量， 为当前的递推步数， 表示通过辨识得到的模型参数的集合， 表示矩阵的转置，分别为对应实际过程的输出变量阶次、输入变量阶次、实际过程的时滞。
[0022] 采用的辨识手段为：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 其中， 和 为辨识中的两个矩阵， 为遗忘因子，为单位矩阵。
[0027] (3)设计非最小化模型预测函数比例积分控制器，具体方法是：
[0028] a.将（2）建立的过程模型转化为差分模型形式：
[0029]
[0030] 其中， 是差分算子， 为通过转换模型得到的相关系数，为对应实际过程的输入和输出变量的统一阶次。
[0031] b . 选 取进一步将步
骤a的模型转化为状态空间输入输出模型：
[0032]
[0033] 其中具体的转化参数矩阵为
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] c.依据步骤b建立用于非最小化模型预测函数比例积分控制器设计的非最小化参数模型：
[0038]
[0039] =
[0040] 其中，
[0041] ，
[0042] ， ， 为相应的参数矩阵。
[0043] d.依据步骤c计算出的模型参数整定非最小化模型预测函数比例积分控制器的参数，具体方法是：
[0044] ①建立多步最优预测输出
[0045]
[0046] 其中，
[0047]
[0048] 参数 ，
[0049] 为实际出口温度的测量值。
[0050] ②建立非最小化模型预测函数比例积分控制器的参考轨迹 和目标函数 。
[0051]
[0052] 其中， 为各个时刻的输出参考轨迹。
[0053] ③依据步骤②的目标函数得到当前的控制参数值
[0054]
[0055] 本发明提出的一种基于数据驱动的模型选取和非最小化模型预测函数比例积分控制器混合控制方法弥补了传统控制的不足，并有效地方便了控制器的设计，保证控制性能的提升，同时满足给定的生产性能指标。
[0056] 本发明提出的控制技术可以有效减少裂解炉出口温度工艺参数与实际裂解炉出口温度工艺参数之间的误差，进一步弥补了传统控制器的不足，同时保证控制装置操作在最佳状态，使生产过程的裂解炉出口温度工艺参数达到严格控制。
具体实施方式
[0057] 以CBL2Ⅱ型乙烯裂解炉系统过程控制为例：
[0058] 这里以该系统出口温度回路的控制作为例子加以描述。出口温度不仅受到燃料流量的影响，同时也受炉膛温度，烃进料量和炉膛吸热传热的影响。调节手段采用燃料流量，其余的影响作为不确定因素。
[0059] （1）设计出口温度过程的比例积分控制器，具体方法是典型的响应曲线法。
[0060] 第一步：将出口温度比例积分控制器停留在“手动操作”状态，操作燃料量的拨盘使燃料量控制器输出有个阶跃变化，由记录仪表记录出口温度过程的输出值，将出口温度过程输出值 的响应曲线转换成无量纲形式 ：
[0061]
[0062] 其中， 是出口温度过程输出 的稳态值。
[0063] 第二步：选取2个计算点， ，依据以下计算公式计算出口温度比例积分控制器所需要的参数 ：
[0064]
[0065] 其中，为出口温度比例积分控制器输出的阶跃变化幅度。
[0066] 第三步：依据第二步计算出的 整定出口温度比例积分控制器的参数：
[0067]
[0068] 其中 ， ， 分别为比例积分控制器的比例参数，积分参数。
[0069] （2）利用裂解炉出口温度实时过程数据建立非最小化模型预测函数控制器所需的过程模型，具体方法是：
[0070] 通过数据采集装置采集实时过程出口温度运行数据，将采集的实时过程出口温度运行数据作为数据驱动的样本集合采用最小二乘法推理，建立基于最小二乘法的离散差分方程形式的出口温度过程模型。
[0071] 其中，系统调用推理机采用最小二乘法进行出口温度过程模型参数的辨识，这些参数包括元素 中变量的个数和具体数值。
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 其中 是实际出口温度测量值， 是出口温度过程模型的输出值。 和为辨识中的两个矩阵， 为遗忘因子，为单位矩阵。这个过程是第一步推理过程。这个第一步推理是初步挖掘实际出口温度回路的基本特性。
[0076] （3）设计出口温度过程的非最小化模型预测函数比例积分控制器，具体方法是：
[0077] 第一步：将（2）建立的过程模型转化为差分模型形式：
[0078]
[0079] 其中， 是差分算子， 为通过转换模型得到的相关系数，为对应实际过程的输入和输出变量的统一阶次。
[0080] 第二步：
[0081] 选 取 进一步将步骤a的模型转化为状态空间输入输出模型：
[0082]
[0083] 其中具体的转化参数矩阵为
[0084]
[0085]
[0086]
[0087] 第三步：依据步骤b建立用于非最小化模型预测函数比例积分控制器设计的非最小化参数模型：
