本發(fā)明涉及工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，尤其涉及一種面向乙烯裂解爐的控制方法，具體的說(shuō)是一種快速的多變量控制方法。

背景技術(shù)：

乙烯裝置是石化工業(yè)中能耗最大的裝置之一。裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，也是乙烯裝置的能耗大戶(hù)，其能耗占乙烯裝置總能耗的50％～60％。降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產(chǎn)成本的重要途徑之一。采用先進(jìn)控制技術(shù)，對(duì)乙烯裂解爐操作，能夠提高乙烯、丙烯收解爐進(jìn)行優(yōu)化控制操作，將有利于降低乙烯裝置的生產(chǎn)能耗。

乙烯裝置由主要由裂解、壓縮、分離等單元設(shè)備組成，工藝流程簡(jiǎn)述如下：

1、裂解工序

接收來(lái)自界外的輕質(zhì)烴、石腦油，送入裂解爐，加稀釋蒸汽(DS)進(jìn)行裂解，得到的裂解氣(即：氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁二烯、裂解汽油、裂解燃料油等組分的混合物)，經(jīng)廢熱鍋爐急冷，油冷、水冷至常溫，回收部分熱量，并把其中大部分油類(lèi)產(chǎn)品分離后送入后續(xù)工序。同時(shí)接收從界外來(lái)的高壓鍋爐水并將其轉(zhuǎn)化為超高壓蒸汽。

2、壓縮工序

將來(lái)自裂解工序的裂解氣，經(jīng)壓縮提壓，為深冷分離提供條件。裂解氣在壓縮過(guò)程中，逐段冷卻和分離，除去重?zé)N和水，并設(shè)有堿洗，除去裂解氣中的酸性氣體，為分離系統(tǒng)提供合格的裂解氣。制冷系統(tǒng)由丙烯制冷系統(tǒng)和乙烯、甲烷二元制冷系統(tǒng)構(gòu)成，為深冷分離提供不同規(guī)格的冷劑。丙烯、二元制冷系統(tǒng)為多段壓縮，多級(jí)節(jié)流的封閉循環(huán)系統(tǒng)。

3、分離工序

將壓縮工序來(lái)的裂解氣，經(jīng)脫水、深冷、加氫和精餾等過(guò)程，獲得高純度的乙烯、丙烯，同時(shí)得到副產(chǎn)品H2、CH4、C3、LPG、混合碳四餾份及裂解汽油。

其中，裂解工序的工藝流程如下：

來(lái)自于界外的烴進(jìn)料到裂解爐的每根爐管的都有流量控制,烴首先在對(duì)流段的最上部盤(pán)管中預(yù)熱,再注入稀釋蒸汽,烴與稀釋蒸汽的混合物在對(duì)流段進(jìn)一步預(yù)熱后，進(jìn)入輻射段爐管進(jìn)行裂解，裂解產(chǎn)物送到廢熱鍋爐冷卻，廢熱鍋爐通過(guò)連接到公用汽包的熱虹吸系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽。鍋爐給水在對(duì)流段鍋爐給水爐管中預(yù)熱后該進(jìn)入汽包。飽和蒸汽在廢熱鍋爐中產(chǎn)生，然后在對(duì)流段的兩段過(guò)熱器爐管中過(guò)熱。過(guò)熱器出口溫度通過(guò)將鍋爐給水注入部分過(guò)熱蒸汽來(lái)控制。在上，中，下部過(guò)熱器爐管之間完成減溫減壓，蒸汽返回到下部過(guò)熱器爐管，最終過(guò)熱到設(shè)計(jì)設(shè)定溫度。

裂解爐利用環(huán)境空氣作為燃料燃燒的氧氣源，按照基礎(chǔ)負(fù)荷來(lái)設(shè)置側(cè)壁燒嘴(固定燃燒)，然后(用剩余燃燒量)來(lái)調(diào)節(jié)底部燒嘴，以便控制爐管出口溫度。通過(guò)控制裂解爐的通風(fēng)壓力，來(lái)調(diào)節(jié)底部燒嘴的空氣流量。此外，可以調(diào)節(jié)單個(gè)燒嘴的空氣通風(fēng)裝置，來(lái)確保裂解爐在其最佳通風(fēng)壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。爐膛(通風(fēng))負(fù)壓通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，引風(fēng)機(jī)可以克服對(duì)流段中煙道氣體流量的摩擦損失，來(lái)確保裂解爐的安全運(yùn)行。

乙烯裝置在工藝和設(shè)備方面采用了許多新技術(shù)，在目標(biāo)產(chǎn)品的收率和裝置能耗等方面均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。從目前常規(guī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置情況看，乙烯裝置已采用DCS集中控制，方便了過(guò)程操作，提高了裝置運(yùn)行的可靠性。在實(shí)際運(yùn)行中，這些控制系統(tǒng)能發(fā)揮出良好的控制效果，為裝置的平穩(wěn)操作提供了有力的保證。同時(shí)，企業(yè)的節(jié)能減排的壓力，對(duì)工藝操作和過(guò)程控制的質(zhì)量和效率提出了更高的要求，而裝置內(nèi)部復(fù)雜的物料循環(huán)和熱量循環(huán)，則增加了系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)的傳播途徑和方式，對(duì)于裝置平穩(wěn)生產(chǎn)和優(yōu)化運(yùn)行提出了更多的挑戰(zhàn)。DCS控制系統(tǒng)采用如串級(jí)控制、比值控制、選擇控制等多種復(fù)雜控制策略，以提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)性。然而，由于常規(guī)控制系統(tǒng)主要是從單輸入單輸出對(duì)象的角度來(lái)考慮問(wèn)題，很難處理像裂解爐反應(yīng)器等這樣具有多變量、多約束、強(qiáng)耦合特性的裝置，也無(wú)法將先進(jìn)工藝思想和操作經(jīng)驗(yàn)時(shí)刻作用于生產(chǎn)裝置， 常規(guī)控制系統(tǒng)對(duì)于既維持裝置平穩(wěn)操作，又要求高收益、低消耗的多目標(biāo)優(yōu)化控制存在較大困難。此外，乙烯裂解爐較之常規(guī)的化工過(guò)程，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?，普通的先進(jìn)過(guò)程控制方法的計(jì)算負(fù)荷都比較大，很難適應(yīng)如此快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。因此，要進(jìn)一步挖掘裝置潛力，必須采用更高級(jí)優(yōu)化控制策略以及快速的算法，以同時(shí)滿(mǎn)足平穩(wěn)控制和卡邊優(yōu)化的工藝控制要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述乙烯裂解爐生產(chǎn)過(guò)程存在的多變量、要求快速響應(yīng)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種快速多變量控制方法，用來(lái)解決乙烯裂解爐的控制問(wèn)題。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種面向乙烯裂解爐的快速多變量預(yù)測(cè)控制方法，包括離線環(huán)節(jié)和在線環(huán)節(jié)；

離線環(huán)節(jié)：根據(jù)乙烯裂解爐的擾動(dòng)輸入變量、控制輸入變量和被控輸出變量的開(kāi)環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)得到乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；

在線環(huán)節(jié)：實(shí)時(shí)讀取乙烯裂解爐的擾動(dòng)輸入變量、控制輸入變量和被控輸出變量，利用動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型得到控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值，然后通過(guò)超前滯后校正得到控制輸入值，發(fā)送至乙烯裂解爐的控制系統(tǒng)。

所述離線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

(1)以裂解爐總處理量、支路1COT溫差、支路3COT溫差、支路1流量偏差、支路3流量偏差、1和3兩支路總COT、A室稀釋比、支路2COT溫差、支路4COT溫差、支路2流量偏差、支路4流量偏差、2和4兩支路總COT、B室稀釋比、煙氣氧含量為被控輸出變量；

(2)以支路1烴進(jìn)料流量、支路3烴進(jìn)料流量、支路1稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路3稀釋蒸汽進(jìn)料量、A室燃料氣壓力、支路2烴進(jìn)料流量、支路4烴進(jìn)料流量支路2稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路4稀釋蒸汽進(jìn)料量、B室燃料氣壓力和爐膛負(fù)壓為控制輸入變量；

(3)以裂解爐爐管出口壓力、燃料氣熱值/燃料氣密度、燃料氣壓力、稀 釋比、原料性質(zhì)為擾動(dòng)輸入變量；

(4)讀取上述擾動(dòng)輸入變量、控制輸入變量和被控輸出的開(kāi)環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘方法辨識(shí)得到乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；

(5)設(shè)置控制參數(shù)，包括：穩(wěn)態(tài)時(shí)間TTSS、控制拍數(shù)M、時(shí)間常數(shù)T₁和T₂。

所述動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型：

其中，

a_ij＝[a_ij(1) … a_ij(N)]^T，i＝1,…,p，即被控輸出變量的數(shù)量為p；j＝1,…,m，即控制輸入變量的數(shù)量為m；N為建模時(shí)域；a_ij的維數(shù)為N×1；

b_il＝[b_il(1) … b_il(N)]^T，l＝1,…,n，b_il的維數(shù)為N×1；

表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為N×1的向量，的元素表示y_i在未來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值；表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為N×1的向量，的元素表示y_i在未 來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，h＝1…N；A為控制輸入系數(shù)矩陣，B為擾動(dòng)輸入系統(tǒng)矩陣；Δu(k)為k時(shí)刻控制輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量，其元素Δu_j(k)表示控制輸入u_j的控制輸入增量值，u(k)表示k時(shí)刻控制輸入值，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量；Δd(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為n×1的向量，元素Δd_l(k)表示擾動(dòng)輸入d_l的擾動(dòng)輸入增量值，d(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量。

所述穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為Δy_ss(k)＝K_uΔu_ss(k)+K_dΔd(k)；

其中，Δy_ss(k)＝y(tǒng)_ss(k)-y_ss(k-1)，y_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)值，Δy_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)增量值，Δu_ss(k)＝u_ss(k)-u_ss(k-1)，u_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)值，Δu_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值，K_u是m×p的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，K_d是m×n的穩(wěn)態(tài)增益矩陣：

且，穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_u的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量a_ij有k_u,ij＝a_ij(N)；穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_d的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量b_il有k_d,il＝b_il(N)。

所述在線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

1)從乙烯裂解爐的DCS得到乙烯裂解爐的被控輸出值y(k)、干擾輸入值d(k)、控制輸入值u(k-1)；

2)通過(guò)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的被控輸出值y(k)與上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值做差得到當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)誤差e(k)：

其中，的元素表示對(duì)被控輸出y_i的上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí) 刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值；

3)通過(guò)動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值利用動(dòng)態(tài)誤差e(k)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正，得到當(dāng)前時(shí)刻校正后的穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測(cè)值

4)計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)；

5)根據(jù)控制輸入穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)及控制拍數(shù)M計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻校正前控制輸入增量值Δu_T(k)＝Δu_ss(k)/M；

6)通過(guò)超前滯后校正環(huán)節(jié)，得到當(dāng)前時(shí)刻控制輸入增量值Δu(k)：

Δu(k)＝Transform(Δu_T(k))

其中，Transform為超前滯后校正變換，具體的連續(xù)域變換模型為

7)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻控制輸入值u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；

8)將控制輸入值u(k)通過(guò)OPC通訊傳遞給乙烯裂解爐的DCS。

校正后的輸出預(yù)測(cè)值為k-1時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值，通過(guò)以下遞推公式從1時(shí)刻至k-1時(shí)刻遞推得到：

其中，為當(dāng)前時(shí)刻校正后的輸出預(yù)測(cè)值；為當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值，H是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×(p×N)的單位陣，初始化e(0)、 后每一時(shí)刻對(duì)下一時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值可以遞推得到，則上式中k取k-1時(shí)即可得到的第(k-1)·(i-1)+1個(gè)元素 即為

所述計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)，當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T時(shí)，所述控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值

所述計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)，當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)不相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T時(shí)，所述控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，u_min、u_max為控制輸入變量的下限和上限；其中，y_Tmin、y_Tmax為被控輸出變量的期望目標(biāo)下限和期望目標(biāo)上限；Q是加權(quán)矩陣。

所述計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)，當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)不相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T且給出輸入設(shè)定點(diǎn)u_T時(shí)，所述控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，u_Tmin、u_Tmax為控制輸入變量的期望目標(biāo)下限和期望目標(biāo)上限，R是加權(quán)矩陣。

所述計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)，當(dāng)沒(méi)有輸入輸出設(shè)定點(diǎn)要求只有輸入變量代價(jià)系數(shù)c要求時(shí)，所述控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，y_min、y_max為控制輸入變量的下限和上限，c為控制輸入變量的代價(jià)系數(shù)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

1.本發(fā)明提出了一種快速多變量控制方法，可以極大地降低在線計(jì)算量和控制方程數(shù)量，控制律的求解就變得非常的簡(jiǎn)單和快速，對(duì)時(shí)間常數(shù)較小或很小的生產(chǎn)過(guò)程可以做出快速的響應(yīng)，可以有效的解決乙烯裂解爐的多變量控制問(wèn)題。

2.本發(fā)明通過(guò)多變量穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和輸出設(shè)定點(diǎn)的變化就可以求解出控制輸入的穩(wěn)態(tài)控制增量，繼而根據(jù)該穩(wěn)態(tài)控制增量就可以求解相應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制增量。

3.本發(fā)明中線性系統(tǒng)過(guò)程的輸出穩(wěn)態(tài)僅與初始穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)與最終的控制輸入穩(wěn)態(tài)相關(guān)，從而避開(kāi)了中間過(guò)程的其他狀態(tài)，避免了每個(gè)時(shí)刻都去計(jì)算大維度的復(fù)雜矩陣，從而極大的簡(jiǎn)化了過(guò)程和節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。

4.本發(fā)明簡(jiǎn)化了多變量預(yù)測(cè)控制的計(jì)算復(fù)雜度，顯著地減小了多變量預(yù)測(cè)控制的控制周期，可以有效解決乙烯裂解爐這類(lèi)快速反應(yīng)過(guò)程的控制問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為多變量預(yù)測(cè)控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明具有離線和在線兩個(gè)環(huán)節(jié)。離線環(huán)節(jié)通過(guò)分析或者辨識(shí)方法得到乙烯裂解爐生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)置控制參數(shù)。在線環(huán)節(jié)首先根據(jù)乙烯裂解爐控制系統(tǒng)(DCS)的測(cè)量值計(jì)算輸出預(yù)測(cè)值，根據(jù)預(yù)測(cè)值 與測(cè)量值之差計(jì)算預(yù)測(cè)誤差從而對(duì)穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正；然后通過(guò)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化或直接求逆方法計(jì)算穩(wěn)態(tài)控制輸入預(yù)測(cè)值；最后根據(jù)給定的控制參數(shù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制輸入值，通過(guò)超前滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制輸入值的動(dòng)態(tài)性能加以校正后傳遞給DCS。

如圖1所示，一種面向乙烯裂解爐的快速多變量預(yù)測(cè)控制方法，包括離線環(huán)節(jié)和在線環(huán)節(jié)。

離線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

(1)以裂解爐總處理量、支路1COT溫差、支路3COT溫差、支路1流量偏差、支路3流量偏差、1/3兩支路總COT、A室稀釋比(烴/蒸汽)、支路2COT溫差、支路4COT溫差、支路2流量偏差、支路4流量偏差、2/4兩支路總COT、B室稀釋比(烴/蒸汽)、煙氣氧含量為被控輸出變量；

(2)以支路1烴進(jìn)料流量、支路3烴進(jìn)料流量、支路1稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路3稀釋蒸汽進(jìn)料量、A室燃料氣壓力、支路2烴進(jìn)料流量、支路4烴進(jìn)料流量支路2稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路4稀釋蒸汽進(jìn)料量、B室燃料氣壓力和爐膛負(fù)壓為控制輸入變量；

(3)以裂解爐爐管出口壓力、燃料氣熱值/燃料氣密度、燃料氣壓力、稀釋比、原料性質(zhì)為干擾輸入變量；

(4)通過(guò)OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE)讀取上述擾動(dòng)輸入變量、控制輸入變量和被控輸出的開(kāi)環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘方法辨識(shí)得到乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

(5)設(shè)置快速多變量預(yù)測(cè)控制的控制參數(shù)，包括：穩(wěn)態(tài)時(shí)間(TTSS)、控制拍數(shù)(M)、時(shí)間常數(shù)T₁和T₂，其中，

穩(wěn)態(tài)時(shí)間(TTSS)：系統(tǒng)在階躍輸入的作用下重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間；

控制拍數(shù)(M)：將一個(gè)控制輸入分解為若干拍數(shù)去實(shí)施，所指的拍數(shù)就是控制拍數(shù)；

時(shí)間常數(shù)T₁和T₂：超前滯后環(huán)節(jié)中參數(shù)。

所述通過(guò)最小二乘方法辨識(shí)得到乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，具體為：

通過(guò)對(duì)乙烯裂解爐進(jìn)行過(guò)程開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)由最小二乘法得到過(guò)程輸出y_i對(duì)控制輸入變量u_j的階躍響應(yīng)系數(shù)a_ij在采樣點(diǎn)上的值組成模型向量：

a_ij＝[a_ij(1) … a_ij(N)]^T

其中，i＝1,L,p，即被控輸出變量的數(shù)量為p；j＝1,L,m，即控制輸入變量的數(shù)量為m；N為建模時(shí)域；a_ij的維數(shù)為N×1；

同樣可以測(cè)得干擾輸入對(duì)過(guò)程被控輸出的階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量：

b_il＝[b_il(1) … b_il(N)]^T

其中，l＝1,L,n，b_il的維數(shù)為N×1；

綜合控制輸入和干擾輸入，乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型可以表示為：

其中，

表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)N個(gè) 時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為N×1的向量，的元素表示y_i在未來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值；表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)N個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為N×1的向量，的元素表示y_i在未來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值；A為控制輸入系數(shù)矩陣，B為擾動(dòng)輸入系統(tǒng)矩陣；Δu(k)為k時(shí)刻控制輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量，其元素Δu_j(k)表示控制輸入u_j的控制輸入增量值，u(k)表示k時(shí)刻控制輸入值，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量；Δd(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為n×1的向量，元素Δd_l(k)表示擾動(dòng)輸入d_l的擾動(dòng)輸入增量值，d(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入，是一個(gè)維數(shù)為m×1的向量。

所述穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

Δy_ss(k)＝K_uΔu_ss(k)+K_dΔd(k)

其中，Δy_ss(k)＝y(tǒng)_ss(k)-y_ss(k-1)，y_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)值，Δy_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)增量值，Δu_ss(k)＝u_ss(k)-u_ss(k-1)，u_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)值，Δu_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值，K_u是m×p的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，K_d是m×n的穩(wěn)態(tài)增益矩陣：

且，穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_u的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量a_ij有k_u,ij＝a_ij(N)；穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_d的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量b_il有k_d,il＝b_il(N)。

所述在線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

(1)通過(guò)OPC通訊從乙烯裂解爐的DCS得到乙烯裂解爐的被控輸出值y(k)、 干擾輸入值d(k)、控制輸入值u(k-1)；

(2)通過(guò)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的被控輸出值與上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值做差得到當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)誤差：

其中，e(k)為當(dāng)前時(shí)刻動(dòng)態(tài)誤差，y(k)為當(dāng)前時(shí)刻的被控輸出值，為上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值，的元素表示對(duì)被控輸出y_i的上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值；

(3)通過(guò)動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值利用動(dòng)態(tài)誤差e(k)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正，得到當(dāng)前時(shí)刻校正后的穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測(cè)值

(4)計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)；

(5)根據(jù)控制輸入穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)及控制參數(shù)M計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻校正前控制輸入增量值Δu_T(k)：

Δu_T(k)＝Δu_ss(k)/M

M是用戶(hù)根據(jù)控制輸入變量動(dòng)作快慢要求給定的參數(shù)，即將控制輸入增量Δu_ss(k)平均分為M份，得到當(dāng)前時(shí)刻的校正前控制輸入值增量；

(6)通過(guò)超前滯后校正環(huán)節(jié)，得到當(dāng)前時(shí)刻控制輸入增量值Δu(k)：

Δu(k)＝Transform(Δu_T(k))

其中，Transform為超前滯后校正變換，具體的連續(xù)域變換模型為此處需要將其離散化。不同的T₁、T₂選取可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Δu_T(k)的超前或滯后校正。

(7)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻控制輸入值u(k)：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

(8)將控制輸入值u(k)通過(guò)OPC通訊傳遞給乙烯裂解爐的DCS(Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))。

所述校正后的輸出預(yù)測(cè)值為：

其中，為當(dāng)前時(shí)刻校正后的輸出預(yù)測(cè)值；為當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值，H是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×(p×N)的單位陣，初始化e(0)、 后每一時(shí)刻對(duì)下一時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值可以遞推得到。

當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T時(shí)，所述的穩(wěn)態(tài)控制輸入增量為

當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)不相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T時(shí)，所述的穩(wěn)態(tài)控制輸入增量通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，u_min、u_max為控制輸入變量的下限和上限；其中，y_Tmin、y_Tmax為被控輸出變量的期望目標(biāo)下限和期望目標(biāo)上限；Q是加權(quán)矩陣。

當(dāng)輸入輸出個(gè)數(shù)不相等且給出輸出設(shè)定點(diǎn)y_T且給出輸入設(shè)定點(diǎn)u_T時(shí)所述的穩(wěn)態(tài)控制輸入增量通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，u_Tmin、u_Tmax為控制輸入變量的期望目標(biāo)下限和期望目標(biāo)上限。R是加權(quán)矩陣。

當(dāng)沒(méi)有輸入輸出設(shè)定點(diǎn)要求只有輸入變量代價(jià)系數(shù)c要求時(shí)，所述的穩(wěn)態(tài)控制輸入增量通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得

其中，y_min、y_max為控制輸入變量的下限和上限，c為控制輸入變量的代價(jià)系數(shù)。

本發(fā)明具體實(shí)施如下，工作流程分為離線和在線兩個(gè)環(huán)節(jié)：

其中，離線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

以乙烯裂解爐總處理量(進(jìn)入乙烯裂解爐的裂解氣體)、支路1COT溫差、支路3COT(control of temprature)溫差、支路1流量偏差、支路3流量偏差、1/3兩支路總COT、A室稀釋比(烴/蒸汽)、支路2COT溫差、支路4COT溫差、支路2流量偏差、支路4流量偏差、2/4兩支路總COT、B室稀釋比(烴/蒸汽)、煙氣氧含量為被控輸出變量；控輸出變量的數(shù)量為14，即參數(shù)p＝14。

以支路1烴進(jìn)料流量、支路3烴進(jìn)料流量、支路1稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路3稀釋蒸汽進(jìn)料量、A室燃料氣壓力、支路2烴進(jìn)料流量、支路4烴進(jìn)料流量支路2稀釋蒸汽進(jìn)料量、支路4稀釋蒸汽進(jìn)料量、B室燃料氣壓力和爐膛負(fù)壓為控制輸入變量；控制輸入變量的數(shù)量為10，即m＝10。

以裂解爐爐管出口壓力、燃料氣熱值/燃料氣密度、燃料氣壓力、稀釋比、原料性質(zhì)(烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴各組成成分所占的比例)為干擾輸入變量；擾動(dòng)輸入變量為5，即n＝5。

通過(guò)OPC讀取上述擾動(dòng)輸入變量、控制輸入變量和被控輸出的開(kāi)環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘方法辨識(shí)得到乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。這里，假設(shè)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)個(gè)數(shù)為30，建模采樣周期為一分鐘，則建模時(shí)域N＝30，穩(wěn)態(tài)時(shí)間TTSS＝30分鐘?？刂婆臄?shù)M＝5，T₁＝10分鐘，T₂＝20分鐘。

通過(guò)對(duì)乙烯裂解爐進(jìn)行過(guò)程階躍響應(yīng)測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)由最小二乘法得到過(guò)程輸出y_i對(duì)控制輸入變量u_j的階躍響應(yīng)a_ij在采樣點(diǎn)上的值組成模型向量：

a_ij＝[a_ij(1) … a_ij(30)]^T

其中，i＝1,…,14，j＝1,…,10，a_ij的維數(shù)為30×1；

同樣可以測(cè)得干擾輸入對(duì)過(guò)程被控輸出的階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量：

b_il＝[b_il(1) … b_il(N)]^T

其中，l＝1,…,5，b_il的維數(shù)為30×1。

綜合控制輸入和干擾輸入，乙烯裂解過(guò)程的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型可以表示為：

其中，

表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)30個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為140×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)30個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為30×1的向量，的元素表示_yi在未來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的初始預(yù)測(cè)值；表示在k時(shí)刻全部控制量u₁,…u_m保持不變時(shí)被控輸出變量在未來(lái)30個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為140×1的向量，的元素表示對(duì)被控輸出y_i在未來(lái)30個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值，是一個(gè)維數(shù)為30×1的向量，的元素表示y_i在未來(lái)第h個(gè)時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)值；A為控制輸入系數(shù)矩陣，B為擾動(dòng)輸入系統(tǒng)矩陣；Δu(k)為k時(shí)刻控制輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為10×1的向量，其元素Δu_j(k)表示控制輸入u_j的控制輸入增量值，u(k)表示k時(shí)刻控制輸入值，是一個(gè)維數(shù)為10×1的向量；Δd(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入增量值，是一個(gè)維數(shù)為5×1的向量，元素Δd_l(k)表示擾動(dòng)輸入d_l的擾動(dòng)輸入增量值，d(k)為k時(shí)刻擾動(dòng)輸入，是一個(gè)維數(shù)為10×1的向量。

控制輸入到被控輸出的穩(wěn)態(tài)模型為：

Δy_ss＝K_uΔu_ss+K_dΔd

其中，Δy_ss(k)＝y(tǒng)_ss(k)-y_ss(k-1)，y_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)值，Δy_ss(k)表示k時(shí)刻被控輸出的穩(wěn)態(tài)增量值，Δu_ss(k)＝u_ss(k)-u_ss(k-1)，u_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)值，Δu_ss(k)表示k時(shí)刻控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值，K_u是14×10的矩陣，K_d是14×5的矩陣。

穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_u描述如下

穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_u的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量a_ij有關(guān)系：k_u,ij＝a_ij(30)。

穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_d描述如下

穩(wěn)態(tài)增益矩陣K_d的各個(gè)元素與相應(yīng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)模型向量b_il有關(guān)系：k_d,il＝b_il(30)。

在線環(huán)節(jié)包括以下步驟：

(1)通過(guò)OPC通訊從乙烯裂解爐的DCS得到乙烯裂解爐的被控輸出值y(k)、干擾輸入值d(k)、控制輸入值u(k-1)；

(2)通過(guò)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的被控輸出值與上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值做差得到當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)誤差：

其中，e(k)為當(dāng)前時(shí)刻動(dòng)態(tài)誤差，y(k)為當(dāng)前時(shí)刻的被控輸出值，為上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值，的元素表示對(duì)被控輸出y_i的上一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值；

其中校正后的輸出預(yù)測(cè)值通過(guò)下式計(jì)算：

其中，為當(dāng)前時(shí)刻校正后的輸出預(yù)測(cè)值；為當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值，H是一個(gè)維數(shù)為(p×N)×(p×N)的單位陣，初始化e(0)、 后每一時(shí)刻對(duì)下一時(shí)刻的校正后的輸出預(yù)測(cè)值可以遞推得到；

(3)通過(guò)動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值利用動(dòng)態(tài)誤差e(k)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻輸出預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正，得到當(dāng)前時(shí)刻校正后的穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測(cè)值

(4)計(jì)算控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)，具體為：

因本實(shí)施例中控制輸入變量個(gè)數(shù)與被控輸出變量個(gè)數(shù)不等，控制系統(tǒng)沒(méi)有輸入輸出設(shè)定點(diǎn)，只給出了控制輸入變量的代價(jià)系數(shù)，則控制輸入的穩(wěn)態(tài)增量值可以通過(guò)求解如下的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得：

(5)根據(jù)控制輸入穩(wěn)態(tài)增量值Δu_ss(k)及控制參數(shù)M計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻校正前控制輸入增量值Δu_T(k)：

Δu_T(k)＝Δu_ss(k)/M

M是用戶(hù)根據(jù)控制輸入變量動(dòng)作快慢要求給定的參數(shù)，即將控制輸入增量Δu_ss(k)平均分為M份，得到當(dāng)前時(shí)刻的校正前控制輸入值增量；

(6)通過(guò)超前滯后校正環(huán)節(jié)，得到當(dāng)前時(shí)刻控制輸入增量值Δu(k)：

Δu(k)＝Transform(Δu_T(k))

其中，Transform為超前滯后校正變換，具體的連續(xù)域變換模型為此處需要將其離散化。

(7)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻控制輸入值u(k)：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

(8)將控制輸入值u(k)通過(guò)OPC通訊傳遞給乙烯裂解爐的DCS(Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng))。