催化裂化反应再生系统预测控制研究与实现

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 1.76MB 61 页 15积分

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催化裂化反应再生系统预测控制

研究与实现

摘要

预测控制是一种面向实际工业对象的计算机优化控制算法，其特点是易于建

模、控制性能良好、鲁棒性强以及能有效处理约束。预测控制一直以来备受工业控

制界的广泛关注和认同，如今已广泛用于工业中。但是，国内的预测控制软件研

发、知识产权及应用水平与国外仍然有很大差距。为了加强预测控制应用的研究，

本文基于 VB 开发出一套多变量预测控制系统软件。软件包含用户界面、预测控制

算法模块、数据库等部分，并利用 Matlab/Simulink 构建对象模型以便于开发调试。

软件实现了动态矩阵控制和广义预测控制算法可供选择，可依据辨识得到的对象

模型进行多变量预测控制，并实时监测对象的输入和输出的变化情况。

本文针对所采用的 DMC 和GPC 两种多变量预测控制算法进行仿真研究，分

析了预测控制参数的选择原则及其对系统性能的影响。以催化裂化系统为研究对

象，首先辨识出对象的模型，基于所开发的预测控制软件实施预测控制，得到了

较满意的结果。

本文的主要工作内容包括：

(1)介绍催化裂化系统的工艺流程，并分析确定影响系统的主要因素，确定出

反再生系统的操纵变量和被控变量。

(2)采用频域辨识算法辨识催化裂化反应再生系统对象模型。

(3)研究预测控制理论和算法，包括广义预测控制算法和动态矩阵控制(DMC)

算法的基本原理,并通过仿真实验分析算法性能。

(4)基于 VB 平台，采用 DDE 通信技术，MATLAB COM 组件、数据库访问等

关键技术实现预测控制软件，并针对催化裂化反应再生系统进行预测控制，验证

软件的有效性。

关键词：预测控制催化裂化反应再生系统系统辨识软件实现

上海理工大学硕士论文

ABSTRACT

Predictive control is a kind of computer optimal control algorithm for real

industrial object. Its characteristics include easy to modeling, having good control

performance, strong robustness, and solving constraint problems effectively. Predictive

control has been favored by the industrial control industry. Nowadays, it has been

widely used in industry. However, the research and application of predictive control

software in domestic and abroad have wide gap. In order to strengthen the research,

predictive control software is developed based on VB platform. It includes the user

interface, the algorithm module and the object model. And its model is built using

Matlab/Simulink. It is good to the system to develop and debug. The software can

realize the predictive control of DMC and GPC and real-time monitoring of the object

changes of input and output.

This paper researches on two predictive control algorithms, i.e. dynamic matrix

control and generalized predictive control. Analyze how to choose the parameters of

algorithms and their influence on the performance of the system. Use the catalytic

cracking system as the controlled object. First the object model is identified and

predictive control is performed based on the software developed, which gains

satisfactory control effect.

The main work of this paper:

(1) Introduce catalytic cracking system process flow, determine the main factors

influencing the system, analyze and choose the control variables of the action-

regeneration system.

(2) Use the frequency domain identification algorithms to identify the action-

regeneration system model.

(3) Research the predictive control algorithm, including the generalized predictive

control algorithm and the basic principle of dynamic matrix control (DMC) algorithm,

and through the simulation experiments analysis algorithm performance.

(4) Develop a set of predictive control software based on VB, and use the

technology of DDE communication technology, MATLAB COM component

technology, database technology and so on. And carry on predictive control on action-

regeneration system. It proves the software effective.

Key Word: Predictive control, Reaction-Regeneration System in

FCCU, System identification, Software development

目 录
摘 要...................................................................................................................................I
ABSTRACT......................................................................................................................II
目 录...................................................................................................................................I
第一章 绪论..................................................................................................................1
1 课题的背景和意义.............................................................................................1
2 国内外研究现状.................................................................................................1
3 论文的主要工作及章节安排.............................................................................3
第二章 催化裂化系统概述..............................................................................................4
1 催化裂化国内发展背景.....................................................................................4
2 催化裂化工艺流程.............................................................................................4
3 影响催化裂化反应再系统的因素.....................................................................6
4 本章小结.............................................................................................................9
第三章 催化裂化反应再生系统辨识............................................................................10
1 引言...................................................................................................................10
2 系统辨识算法...................................................................................................10
2.1 基于阶跃响应的闭环频域辨识算法....................................................12
3 辨识结果...........................................................................................................15
4 本章小结...........................................................................................................16
第四章 预测控制算法研究及仿真................................................................................17
1 预测控制的基本原理.......................................................................................17
1.1 预测模型................................................................................................17
1.2 滚动优化................................................................................................18
1.3 反馈校正................................................................................................19
2 DMC 算法.........................................................................................................20
3 广义预测控制算法...........................................................................................25
3.1 广义预测控制基本算法........................................................................25
3.2 带约束广义预测控制算法....................................................................26
4 参数选择原则...................................................................................................28
5 仿真研究...........................................................................................................30
5.1 DMC 算法仿真研究...............................................................................30
5.2 GPC 算法仿真研究................................................................................34
6 本章小结...........................................................................................................39
第五章 预测控制软件设计与应用................................................................................40
1 软件功能介绍...................................................................................................40
2 软件总体设计...................................................................................................40
3 系统关键技术实现...........................................................................................44
3.1 DDE 通信技术........................................................................................44
3.2 MATLAB COM 组件技术.........................................................................47
3.3 ADO 技术................................................................................................49

上海理工大学硕士论文

5.4 软件应用...........................................................................................................53

第六章结束语................................................................................................................58

参考文献.........................................................................................................................59

第一章绪论

1.1 课题的背景和意义

催化裂化反应再生系统是最重要的重质油轻质化的过程之一，在国民经济中

占有很重要的地位。催化裂化过程具有很多优点，如投资少、操作费用较低、且原

料适应性也很强，使得轻质产品具有较高的收率，如今催化裂化技术也较成熟，

因此目前是炼油厂利润的主要来源。显然，作为当今石油炼制的重要核心工艺之

一的催化裂化工艺在石油加工的总流程中占有很关键的地位，并且发挥着举足轻

重的作用。催化裂化系统一般包括以下几个部分，即反应—再生系统、产品的分馏

系统和吸收稳定系统。除上面几个部分以外，有些装置还配有产品精制系统和烟

气能量回收系统。

反应—再生系统是催化裂化系统的重要组成部分。

由于其反应机理和工艺动态过程复杂，且考虑到系统中某些重要操纵变量经

济指标能够达到最优，必须使反应—再生系统参数中所有被控变量处于受控状态，

这是过程控制必须解决的问题。

预测控制的控制理念和传统的 PID 控制不同，预测控制的控制输入源于最优

控制策略，它利用滚动优化的方法，通过当前和过去的偏差值及预测模型来预测

过程未来的偏差值。因此，预测控制优于传统PID 控制。模型预测控制的模型多种

多样如阶跃响应模型、脉冲响应模型等。为了克服受控对象的迟滞、时变和不确定

性等因素，采用了在线滚动优化和反馈自校正策略，最终达到预期控制设定值—

给定轨迹，并且提高了系统的稳定性和鲁棒性。

本课题关于催化裂化反应再生预测控制系统的研究建立在多变量预测控制理

论上，此系统可以根据对象的历史信息，和未来输入预测未来的输出，可以较好

的提高系统的自控率。同时，利用 VB 平台开发出一套预测控制软件系统，能够实

现对被控对象的远程监控，人机界面友好，通过对参数的设置和调整来实现对系

统的控制。这给实际工业带来了很大的经济效益。

1.2 国内外研究现状

预测控制是一类新型计算机控制算法，产生于70年代后期。预测控制算法有

很多，如由Rechalet、Mehra等人提出的最早产生于工业过程的建立在脉冲响应基

础上的模型预测启发控制（Model Predictive Heuristic Control, MPHC）或模型算

法控制(Model Algorithmic Control, MAC)、以及Culter等提出的建立在阶跃响应基

础上的动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)。其预测模型如阶跃响应和脉

冲响应很容易从工业现场直接获得,并且模型的结构要求不太严格。这类预测控制

算法不但汲取了现代控制理论的优化思想，并且采用滚动优化的策略来计算当前

上海理工大学硕士论文

的控制量，另外，还在优化控制的过程中利用实时测得的信息不断进行反馈校正

故此种算法不但克服了不确定性因素的影响，同时也提高了系统的鲁棒性。此外,

这种算法具有在线计算简便快捷的特点，故非常容易满足实际工业过程的控制要

求。

上世纪70 年代后期，动态矩阵控制算法（DMC ）和模型预测控制算法

（MAC）在相关工业过程控制中如锅炉、石油化工装置中得到了较成功的应用。

之后，建立在阶跃响应或对象脉冲响应基础上的各种预测控制算法不断涌现，并

且在许多领域中取得了明显的经济效益。

上世纪80年代初,人们在自适应控制的研究中提出采取预测控制中的多步预测

优化策略,从而使系统的鲁棒性和使用性得以较大提高。因此，人们的视野中遍出

现了建立在辨识模型基础上并带有自校正的预测控制算法。如扩展预测自适应控

制(Extended Predictive Self-adaptive Control, EPSAC)，广义预测控制(Generalized

Predictive Control, GPC)等。

近几年来,预测控制的研究与发展已经突破前期研究的框架,摆脱了单纯的算

法研究模式,它与极点配置、自适应控制和多模型切换等众多先进控制技术相结合,

使得预测控制的研究进入了一个全新的领域。伴随着智能控制技术的不断向前发

展,预测控制也正在向着智能化的方向发展。

预测控制从产生开始就伴随着不断地实践应用，因此预测控制发展是从理论

到实践，在实践中推动理论的过程。目前预测控制软件已被广泛地应用于工业控

制过程中，如化工、冶金、电力等多种生产控制中，由于预测控制最早使用于石油

化工领域并且产生了巨大的经济效益，因此许多国外公司都推出了预测控制软件

产品。

壳牌石油公司的DMC和法国Adersa公司研发的IDCOM是在预测控制软件最

初阶段推出的两种预测控制软件。随后很多家控制优化公司也研发出了具有自己

特色的预测控制软件产品，如 Setpoint 公司的IDCOM 软件升级产品IDCOM-

M,Adersa研究所的HIECON及之后的PFC控制器，以及Honeywell公司的RMPC等

等。近几十年来又出现了诸如DMC-plus和RMPCT等类型的预测控制软件。

我国在预测控制软件的研发和设计方面起步相对比较晚，其应用研究也远落

后于国外。但也有一些科研单位对这方面进行了开发和研究。如茂名石化炼油厂与

石油大学联合开发的先进控制实时优化系统，反应深度多变量协调预估控制系统

粗汽油干点控制系统，广西大学电气学院开发的单变量预测控制软件以及交大和

浙大开发的多变量预测控制软件包等。

1.3 论文的主要工作及章节安排

本文对预测控制算法进行研究并分析其性能，选用催化裂化反再生系统为研

究对象，分析其工艺流程从而确定操纵变量和被控变量，而后通过辨识算法辨识

出对象模型。针对预测控制软件在国内研究较匮乏的情况下，开发出基于 VB 的预

测控制软件，通过对催化裂化反再生系统的实时预测控制，验证了该软件的可行

性和有效性。

本文分六个章节各章节内容分布如下：

第一章绪论

第一章：绪论。主要探讨了课题的背景，预测控制的发展状况和预测控制软

件的国内外研究现状，进而阐述了本课题产生的意义。

第二章：催化裂化系统概述。本章详细介绍了催化裂化的工艺流程并分析了

影响催化裂化的主要因素，从而确定出系统的操纵变量和被控变量。

第三章：催化裂化反应再生系统辨识。研究系统辨识的几种方法，并阐述了

利用系统辨识算法辨识催化裂化模型的详细过程。

第四章：预测控制算法研究。本章介绍了预测控制的基本原理并分析了动态

矩阵控制算法和广义预测算法原理，同时分析了其参数整定的方法及对预测控制

算法性能的影响。

第五章：预测控制软件设计与应用。本章主要对预测控制软件的功能和软件

的结构和设计、及所采用的关键技术如 DDE 技术、MATLAB COM 组件技术等进

行了详细阐述。

第六章：结束语。

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摘要：

催化裂化反应再生系统预测控制研究与实现摘要预测控制是一种面向实际工业对象的计算机优化控制算法，其特点是易于建模、控制性能良好、鲁棒性强以及能有效处理约束。预测控制一直以来备受工业控制界的广泛关注和认同，如今已广泛用于工业中。但是，国内的预测控制软件研发、知识产权及应用水平与国外仍然有很大差距。为了加强预测控制应用的研究，本文基于VB开发出一套多变量预测控制系统软件。软件包含用户界面、预测控制算法模块、数据库等部分，并利用Matlab/Simulink构建对象模型以便于开发调试。软件实现了动态矩阵控制和广义预测控制算法可供选择，可依据辨识得到的对象模型进行多变量预测控制，并实时监测对象的输入和输...

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