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1、Y8 2 5 93l北京化工大学单位代码：1 0 0 1 0学号：如；一一。如硕士研究生学位论文题目垒拯i 型墨垫鉴鱼箍! 丝缝焦熊趟专业过蔓魍匡困蛰本研究生兰兰5 重指导教师赵瞳丞日期：2 N f 年J 2 月了日北京化工大学硕士研究生学位论文基于软测量技术的精馏塔优化控制摘要目前，研究和实施先进控制和实时优化技术，已经成为过程工业企业提高科学管理水平和经济效益的重要对策。本文分析了R B F 神经网络的算法和性能，研究了对R B F 神经网络进行改进的措旌，并且详细介绍了如何利用主元分析确定R B F 神经网络的输入变量。在对精馏塔进行机理分析的基础上，利用改进的R B F神经网络建立了乙
2、腈塔冷凝器氢氰酸含量、丙酮含量、P H 值，精馏塔分层器水相氢氰酸含量、丙烯腈含量、P H 值，精馏塔分层器油相氢氰酸含量、丙烯腈含量的软测量仪表模型。实践表明这些软仪表模型具有较高的精度和较好的适应性。在此基础上，采用N L J 优化算法实现了对精馏塔的在线优化开环指导。同时还介绍了系统辨识的理论，以及利用I M C - P I D 设计软件包实现基于模型的P I D 参数整定的步骤和应用效果。关键字：精馏塔，R B F 神经网络，N L J 优化算法，优化控制，模型辨识北京纯工大学硕士研究生学位论文譬疆Eo P 联A 鬏Z E DC o N 玎t o 毛 o FD I S T I L L
3、A ! r I o NC o L U M NB A S E Do N S O F F S E N S I N GA B S T R A C TI th a sb e e nc o m m o nf o fap r o c e s si n d u s t r ye n t e r p r i s et om a k ei t sm a n a g e m e n ta n de c o n o m i cp r o f i t sb e t t e rb yr e s e a r c h i n ga n dr e a l i z i n gt h et e c n o l o g yo fa
4、 d v a n c e d a n do p t i m i z e dc o n t r o li nt h er e n c e n tt i m e 。I nt h i sp a p e r , w ea n a l y s et h ea l g o r i t h ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fR B Fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dm a k es o m ei m p r o v e m e n t so ni t I na d d i t i o n ，t h em
5、 e t h o di nw h i c ht h ei n p u t 一| v a r i a b l e sa l ei d e n t i f i e dw i t hP C A ( P r i n c i p a lC o m p o n e n tA n a l y s i s ) i ss p e c i a l l yi n t r o d u c e d B a s e do nt h et h ek n o w l e d g eo fd i s t i l l a t i o nc o l u m na n dt h ef i e l dd a t a , w ef o
6、u n de i g h t S o f t S e n s i n gm o d e l so fq u a l i t yt a r g e t so fd i s t i l l a t i o nc o l u m nw i t hi m p r o v e dR B Fn e u r a ln e t w o r k I ti so b v i o u st h a tt h em o d e l sh a v el i t t l ee l r o rc o m p a r e dw i t hv a l u e sf r o mt h ec h r o m a t o g r a
7、 ma n do t h e rd e v i c e s A f t e rf o u n dt h eS o f t S e n s i n gm o d e l s ，w er e a l i z et h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o la n ds h o wt h eo p t i m i z a t i o ns e t t i n gv a l u eo ft h ek e yc o n t r o lc i r c u Rt ot h eo p e r a t o r B e s i d e st h et h e o r ya b
8、o u tS y s t e mI d e n t i f i c a t i o na n dh o wt oo p t i m i z et h eP I Dp a r a m e t e r so fc o n t r o l l e ra r et a l k e d K E YW O R D S ：d i s t i l l a t i o nc o l u m n ，R B Fn e u r a ln e t w o r k ，N L Io p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，m o d e li d e n t i f i c a t
9、i o n北京化工大学硕士研究生学位论文符号说明D C S ：计算机集散控制系统( D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m )P I D ：比例、积分、微分M P H C ：模型预测启发式控制D M C ：动态矩阵控制A N N ：人工神经元网络P C A ：主元分析( P r i n c i p a lC o m p o n e n tA n a l y s i s )R B F ：径向基函数( R a d i a lB a s i sF u n c t i o n )u ：它是由L u u s 与J a a k o l a 提出的一种随机
10、搜索算法N L J ：可变系数的u 法C I M S ：计算机集成制造系统I M C ：内部模型控审l J ( I n t e m a lM o d e lC o n t r 0 1 )M A X ：最大值M I N ：最小值R N N ：动态神经元网络C S ：客户端，服务器模式V a t ( X ) ：变量x 的方差C o v ( X ，y ) ：变量x 和变量y 的协方差北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡
11、献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：耳士砭独b f 年2 月f 日北京化丁大学硕士研究生学位论文1 1 论文选题的背景和意义第一章综述随着我国经济体制的转变，并加入W T O ，国内的众多过程工业企业日益感受到国际间竞争所带来的压力和挑战。积极开发和应用先进控制和实时优化技术提高企业的经济效益，已经成为过程工业迎接挑战、增强竞争力的重要对策【l J 。目前，我国大部分过程工业企业已经实现了以D C S ( D i s t r i b u t e d C o n t r o lS y s t e m )为基础的计算机控制。D C
12、S 由若干台微机分别承担任务，操作简单，监视方便，处理信息量大，具有完善的通讯接口和开发环境。因此，D C S 不但提高了系统的可靠性和灵活性，而且还为实现先进控制和优化控制提供了强有力的硬件和软件平台。先进控制是对那些不同于常规单回路P I D 控制，并具有比常规P I D 控制更好控制效果的控制策略的统称】。工业控制理论最早源自于经验的P I D 控制，其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合【“。到2 0 世纪6 0 年代，提出了现代自动控制理论，为过程控制带来了状态反馈、输出反馈、解耦控制、自适应控制等一系列多变量控制系统设计方法，对于状态不能直接测量
13、的情形，也有观测器和估计器等工具。但是，现代控制理论在真正应用于工业生产过程时，却遇到了前所未有的困难。究其原因，除了其自身的缺陷外，还有很难建立复杂工业过程的数学模型【“。然而，随着计算机技术的持续发展使得计算机控制在工业生产过程中得到了广泛的应用，强大的计算能力可以用来求解许多过去认为是无法求解的问题。到2 0 世纪8 0 年代，出现了著名的预测启发式控制( M P H C ) 【5 】和动态矩阵控制( D M C ) M 1 ，从而引发了预测控制在工业生产控制的大量应用。并且通过模式识别、优化算法、控制结构分析、参数整定和有关稳定性和鲁棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理论已经形成，并
14、成为目前现代控制应用最成功、也最有前途的先进控制策略I3 。目前，国外许多著名的过程控制公司都在探索如何将上述技术更好的应用于生产，并推出了各种先进控制软件和优化软件。这些软件在世界范围内许多化工厂的主要装置上都取得很大成功，使化工企业获得巨大的效益。因此，研究、实施先进控制和优化控制技北京化工大学硕士研究生学位论文术已经成为人们解决那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题的有效对策。丙烯腈分子式为C H 2 C H C N ，是三大合成材料( 纤维、橡胶、塑料) 的重要化工原料之一，近年来主要用来生产商品名为“腈纶”的聚丙烯腈纤维【”。中国石油吉林化学工业集团公司( 简称
15、吉化集团公司) 丙烯腈厂第一丙烯腈车间始建于1 9 9 7年，年产丙烯腈1 0 6 万吨，该车间采用D C S 对生产过程进行控制，其工艺技术水平和生产的控制及管理较为成熟。但由于装置老化等原因，该车间的部分控制回路的性能已经不能达到设计指标，有些甚至不能进行自动控制，给工厂安全、平稳的生产带来了巨大的隐患，同时也减少了企业的经济效益。面对日益激烈的市场竞争，吉化集团公司丙烯腈厂与北京化工大学信息科学与技术学院签订了“吉化集团公司丙烯腈厂丙烯腈装置精馏塔先进控制、优化控制及综合自动化系统”的开发合同。吉化集团公司丙烯腈厂在不必改变原系统生产控制条件的前提下，只需少量投资，与北京化工大学合作开展
16、先进控制、优化控制及综合自动化系统的开发研究，就可以提高装置的操作水平，节约生产成本，提高车间的管理水平。论文的工作正是基于该项目而展开的。该项目旨在通过对丙烯腈生产装置中的精馏塔研究和实施先进控制和优化控制技术，改善精馏塔的操作条件，提高精馏塔的分离效果，从而提高企业的经济效益。1 2 相关理论与知识介绍先进控制是以对象的数学模型为基础的。通过实施先进控制可以使生产过程更加平稳，从而为实现更加严格的卡边条件在线优化控制奠定基础。1 2 1 工业过程软测量技术毒在过程控制中，一些需要控制的过程变量，如聚合物溶液的粘度、聚合物的平均分子量、精馏塔的塔顶和塔底某些产品的成分、发酵过程的转化率及许多涉及产品质量的变量，在现有的技术条件下难于直接测量或不易快速在线测量。为了对这类过程变量进行实时控制或优化控制，以前往往采用两种方法。一种方法是通过控制其它的可测变量，问接的保证质量要求，但很难达到要求的控制精度：另一种方法是采用在线分析仪表，但设备投资大，维护成本高，并且因较大的测托京化工大学硕士研究生学位论文景滞后而使调节品质下降。为了解决上述问
