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1、1 引言 (Introduction) 近年来，随着汽车对汽油质量的要求日益提 高，生产出高质量高标号的无铅汽油是炼油化工企 业面对当今市场竞争的重要课题。事实上，炼油厂 生产的汽油是多种组分的，为获得尽可能高的经济 效益，在满足汽油性能指标要求的条件下，必须经 过调合的方式，优化使用各种组分汽油，生产出市 场所需要的高标号无铅汽油。作为汽油生产的一个 重要环节，汽油调合的精度直接关系到炼油厂的产 品质量和经济效益。经过多年的发展，汽油调合已 逐步由传统的配方罐调合发展到新兴的管道调合 1。其中，在管道调合过程中，通过将各种组分汽油 按照一定的流量比率送入管道调合器，然后进行充 分混合来得到所
2、需要的产品汽油。这种调合方式具 有重复调合次数少，储罐数量小，油品库存费用低 等优点，因此近年来这种方式受到国内外炼油企业 的日益重视。 为了尽可能地提高炼油企业的经济效益，需要 对产品汽油的辛烷值进行精确控制。一方面需要尽 量减小辛烷值的富余量以降低生产成本，另一方面 要避免因辛烷值过低而造成重复调合2。但是，汽 油调合是一个非常复杂的化工过程，各种组分汽油 之间存在复杂的调合效应3,4，很难得到精确的汽油 调合模型；而且在调合过程中，组分汽油的性能指 标会随加工原油的不同而发生变化；调合过程中， 复杂的管道传输特性和辛烷值分析仪的滞后5也将 对调合过程产生很大的影响；此外，调合过程中还 存
3、在干扰等多种不确定因素的影响。综上所述，汽 油管道调合是一个多变量的复杂非线性过程，如何 对其进行精确控制是挑战过程控制界的一个难题。 考虑到辛烷值在线分析仪的测量滞后和管道特 性以及其它的不确定性因素，本文针对汽油管道调 合过程，设计了一种动态矩阵预测-专家控制方法， 它可以利用辛烷值分析仪的在线测量来实现对产品 汽油辛烷值的闭环控制。然后将本文所设计的先进 控制系统应用于某炼油企业的实际调合过程，测试 Proceedings of the 25th Chinese Control Conference 7-11 August, 2006, Harbin, Heilongjiang 汽油管道
4、调合过程的动态矩阵预测-专家控制 方勇纯1，王宁2，王树青2 1. 南开大学信息学院机器人与信息自动化研究所，天津，300071 E-mail: yfang 2. 浙江大学工业控制技术国家重点实验室，杭州，310027 摘 要: 本文针对汽油管道调合过程，提出了一种动态矩阵预测-专家控制方法，实现了对产品汽油辛烷值的闭 环卡边控制，降低了汽油的调合成本。论文将所设计的先进控制系统应用于某炼油厂的管道汽油调合过程，测 试结果表明该先进控制系统具有控制精度高，鲁棒性强等优点，可以为炼油企业带来显著的经济效益。 关键词: 管道调合，动态矩阵控制，专家控制，辛烷值分析仪 DMC-Expert Cont
5、rol of Gasoline In-line Blending Process Y. Fang1, N. Wang2, S. Wang2 1. Institute of Robotics and Automatic Information Systems, Nankai University, Tianjin, 300071 E-mail: yfang 2. Institute of Industrial Process Control, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, 310027 Abstract: This paper proposes
6、 an advanced control strategy for gasoline in-line blending process to achieve tight control of octane quality for resultant gasoline. Specifically, the control law includes a dynamic matrix control (DMC) part to address the large delay mainly caused by the on-line octane analyzer, and an expert con
7、trol part to calculate the flow of each blending gasoline. As demonstrated by experimental results for the blending process of a refinery, the developed blending control system exhibits such advantages as high precise control for octane quality of resultant gasoline, strong robustness over various u
8、ncertainties, and so on. It is expected that the designed control system will bring economic benefit for refineries by largely reducing gasoline blending cost. Key Words: In-line Blending, Dynamic Matrix Control, Expert Control, Octane Analyzer 1930 结果表明该先进控制系统能实现产品汽油辛烷值的 卡边控制，在此基础上，将这种先进控制系统在该 炼油厂进
9、行了实际投运，迄今为止，系统运行平稳， 取得了预期的经济效益。 本文其它部分组织如下：第二节介绍了汽油管 道调合过程建模与辨识，第三节根据汽油管道调合 过程的具体特点，设计了一种动态矩阵预测-专家控 制系统，它包括总体控制方案、动态矩阵预测算法 以及组分汽油流量专家控制三个部分。论文第四节 以某炼油厂的实际汽油调合过程为例，对本文所设 计的先进控制系统进行了仿真研究与现场调试。论 文最后部分给出了结论。 2 汽油管道调合过程建模与辨识 (Modeling and Identification) 建立精确的对象模型是各种基于模型的先进控 制方法得以准确实施,实现高性能控制的基础。 为了 对管道调
10、合过程进行精确控制，需要建立产品汽油 辛烷值关于各参调组分汽油流量分数及其辛烷值的 模型,并根据该模型来调节各种组分流量,从而使产 品汽油达到设定的辛烷值 6。汽油调合过程是一个 典型的非线性受控对象,参加调合的各种组分汽油 之间存在复杂的调合效应,调合过程还受到原油性 质变化、测量噪声等多种不确定性因素的影响。由 于采样传送及辛烷值在线分析的耗时 7,使得调合 过程具有很大的时间滞后。例如，对某炼油厂的管 道调合系统而言，对汽油的取样和辛烷值分析所引 起的滞后可达30分钟。调合过程中的滞后效应使得 各组分汽油流量对产品汽油辛烷值的影响不能及时 反映出来,这给调合过程的建模与控制带来了很大 的
11、困难。考虑到以上这些复杂因素，如图1所示，我 们将汽油调合过程分为动态和静态两个部分 8,分 别进行建模。 其中,静态模型是考虑静态组分流量及 辛烷值与静态产品汽油辛烷值之间的关系,动态模 型则是对管道调合过程中产品汽油辛烷值动态变化 的建模。以往汽油管道调合控制系统设计的实践表 明：静态汽油调合模型与一个动态环节的乘积可以 较准确地反映实际的汽油调合过程 9。 考虑到本文所设计的控制系统对于过程特性的 不确定性具有较强的鲁棒性，静态模型采用常见的 线性调合模型，它直接用各种组分汽油辛烷值的线 性组合来描述产品汽油辛烷值, 即： octoctx i i n i = =1 (1) 式中, n为参
12、与调合的组分汽油种数，oct和 i oct分 别代表产品汽油和各组分汽油的辛烷值， i x 则为各 组分汽油的流量分数。线性模型表达式简单，参数 估计方便，计算量小。对于实际的管道调合过程， 只要对于输入-输出过程采集足够的静态数据，然后 根据上述线性模型进行系统辨识（例如最小二乘法 等）后就可以确定模型中的所有参数。 对于调合过程中的动态特性，可以用一个一阶 惯性加纯滞后的动态环节来表示如下： ( ) (1) s e Gs Ts = + 动 (2) 式中，调合过程的惯性时间较小，约为几十秒到几 分钟，过程纯滞后是由采样滞后和分析仪滞后造成 的，纯滞后时间可达数十分钟。 3 调 合 过 程 的
13、 预 测-专 家 控 制 系 统 (DMC-Expert Controller Design) 3.1 控制系统总体方案设计 (Description of Control Scheme) 汽油管道调合一般采用三层控制结构，即：离 线优化、闭环反馈先进控制和DCS执行器底层控制 10 ，控制系统基本结构如图2所示。本文所设计的 汽油管道调合先进控制系统由组分汽油流量优化设 定、系统建模、产品汽油辛烷值闭环控制等几个部 分组成， 如前所述，汽油调合过程是一个具有很大的纯 滞后的多变量受控对象。引起纯滞后的原因有两 个：采样管道传输带来的滞后和辛烷值分析仪造成 的滞后。由于大纯滞后的影响，使得对汽
14、油辛烷值 的测量不能及时反映过程的动态特性，对各种组分 汽油流量的调节也要经过相应的滞后时间才能从产 品汽油辛烷值的测量值中逐渐体现出来，而这时调 合过程特性已发生变化，这很容易使系统发生震 荡，甚至不稳定。预测控制是70年代后期出现的一 种新型的控制方法，它由预测模型、滚动优化和反 馈校正三部分组成。这种控制策略特别适合对具有 纯滞后环节的对象进行控制11。对于汽油管道调合 过程而言，它是一个多输入单输出的复杂受控对 象，产品汽油与各组分汽油之间存在着严重的关联 耦合和不确定性。直接采用预测控制方法对这种多 输入单输出的复杂对象进行控制，不仅使控制系统 设计复杂化，而且难以满足调合过程中由于
15、工艺特 图1 汽油调合过程模型 产品汽油 辛烷值 组分汽油1 组分汽油n 静态 模型 动态环节 （一阶惯性 加纯滞后） ? 1931 点而导致的各种约束条件12。为此，本文提出了一 种预测-专家控制方法，即采用两级控制方式，由动 态矩阵预测控制器（DMC）来对调合过程的动态环 节进行控制，给出调合过程产品汽油辛烷值的预测 值oct；然后再用所设计的专家控制器，根据产品汽 油的辛烷值预测值来设定各组分汽油流量，这种先 进控制系统结构如图3所示。 3.2 调合过程动态特性的DMC控制(DMC Control of Blending Process) 动态矩阵控制(DMC)是一种基于对象阶跃响应 的
16、预测控制算法，近些年来，它作为一种有约束的 多变量控制算法在石油、化工等工业过程控制中得 到了很多成功应用。对于具有纯滞后环节的控制对 象而言，在采用DMC算法进行控制器设计时无需过 多考虑系统的纯滞后。实际上，对于这种具有纯滞 后的对象，只需要对与其相对应的无滞后系统进行 DMC算法设计，并把所得到的控制律往后进行相应 延伸即可。而它的控制效果，则相当于对无滞后部 分的控制再加上一个输出延迟。 动态矩阵预测控制算法的作用是针对调合过程 的动态特性来对产品汽油辛烷值进行预测控制。在 设计DMC控制算法时，首先要测定调合过程动态环 节的模型向量，该模型向量可以通过以下方法获 得：汽油管道调合装置稳定运行一段时间后，突然 增加某种组分的流量分数，从而改变调合汽油的静 态辛烷值，这时测定产品汽油的辛烷值在原有基础 上的改变量，并进行相应变换，就可以得到所需要 的模型向量，然后对汽油管道调合系统进行动态矩 阵控制算法设计。为此，需要将在线分析仪测量得 到的产品汽油辛烷值与设定值进行比较，产生的偏 差量输入DMC预测控制
