化工过程裕量分析与控制设计——以催化裂化装置为例

以催化裂化装置为主要研究对象，针对化工过程设计中缺乏对装置的总体裕量评价、裕量设计忽视操作控制要求以及控制设计忽视裕量限制的问题，采用操作优化的方法计算装置的潜在经济效益，以此对装置的总体裕量进行评价；考虑过程的动态变化过程，结合动态优化的方法，利用理想稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益之差对装置的总体裕量进行划分，分清保证操作控制可实现性的控制裕量和可以提升装置潜在经济效益的工艺裕量；通过分析各设计变量的局部裕量对装置总体裕量的影响确定设计瓶颈的所在，找到消除设计瓶颈的途径；在控制裕量研究的基础上，提出基于裕量的常规控制系统设计方法，为保证有限设计裕量下常规控制系统控制的可实现性，控制设计的目标除希望保证控制性能指标最优外，还应期望实现控制作用所需的控制裕量最小，通过多目标动态优化来协调这两个优化目标，找到在过程约束以内兼顾控制可实现性和控制性能优化的控制方案。

针对化工过程设计缺乏对总体裕量评价、裕量设计忽视控制要求以及控制设计忽视裕量限制的问题，以催化裂化装置为主要研究对象，从过程的动态可操作性、控制性能和经济效益等方面进行化工过程的裕量分析和控制设计。首先，采用操作优化求取过程潜在经济效益，操作优化包括稳态优化和动态优化，对于操作优化中用到的不可测变量采用状态观测器的方法构造软仪表进行在线估计，以保证操作优化的在线实施。然后，基于过程稳态最优设计的灵敏度分析，提出通过操作优化所能获得的最大潜在经济效益与设计变量的局部裕量有关，由此给出一种基于操作优化的经济效益对化工过程的总体裕量进行评价的方法；通过利用稳态优化的经济效益和动态优化的经济效益之差对装置的总体裕量进行划分，分清与可实现经济效益有关的工艺裕量和保证控制可实现性的控制裕量，以减少进行裕量设计时的盲目性；在此基础上，通过分析各个设计变量的局部裕量对装置总体裕量、可实现经济效益以及控制性能的影响，确定存在瓶颈的设计变量并选择合适的控制结构。最后，为了保证有限设计裕量条件下控制系统的可实现性，基于操作裕量分析给出基于有限设计裕量的控制系统设计方法，包括操作裕量与控制性能的关系、常规控制系统的结构设计和参数设计，具体如下：(1) 通过采用动态优化的方法分析操作裕量与控制性能的关系，找出以较小操作裕量代价使过程控制性能显著改善的方案；(2) 针对不稳定多输入多输出过程的常规控制系统结构选择问题，由多变量广义预测控制提出一种常规控制结构的变量匹配准则，基于多变量广义预测控制的闭环控制律计算得到被控变量期望值与操作变量的相关性矩阵，得到常规控制结构的变量配对；(3) 为兼顾控制性能指标的优化和控制的可实现性，分别从频域设计和多目标优化角度出发进行常规控制系统的参数设计，多目标优化算法依据非劣解前沿折衷处理控制性能和边界裕量，频域设计将相角裕度和幅值裕度作为系统稳定的约束条件提出具有一定稳定裕度的边界裕量优化算法，从而确定常规控制系统的控制器参数。