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复杂工业过程的建模优化及滤波估计

作　者: 刘蕾
导　师: 赵众
学　校: 北京化工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 催化裂化建模优化乙炔加氢软测量粒子滤波
分类号: TQ021.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

实际复杂工业过程,建模是控制和优化的必要准备,模型准确才能保证优化成功,控制有效。滤波估计和操作调优是产品质量在线监测及提高经济效益的有效手段,其最终目的是生产稳定,经济效益最大化。本文以催化裂化反再系统及乙炔加氢反应器为例分别进行了建模优化及滤波估计,得到了精确的数学模型,良好的优化结果及准确的产品质量估计值。首先,对序列无约束极小化方法、可变容差法、协进化的微粒群优化方法进行了研究,分析对比每种算法的优势。对实际优化问题可根据不同的工艺模型选择合适的优化方法,最终找到最优稳态点。此外,针对先进控制软测量计算量实时估计的问题,本文提出了用卡尔曼滤波、粒子滤波的方法解决软仪表校正,对于工业实际最常见的非线性、非高斯噪声问题粒子滤波估计性能非常优越。其次,完成了催化裂化反再系统的建模及优化,首先对Blanding方程为基础的关联模型进行了一段再生到两段再生的实用性改造,使模型更加符合工业实际。在模型的基础上,采用了SUMT、可变容差法、CPSO方法优化催化裂化反再系统的操作条件,能够显著提高经济效益,为操作方案和控制方案的制定提供了依据,从而证实了稳态操作调优的可行性和有效性。最后,对乙炔加氢装置进行软测量建模及粒子滤波估计,针对齐鲁石化乙炔加氢装置采用先进控制的需求,本文设计了乙炔出口浓度及选择性的软测量仪表,通过OPC采集数据,应用统计学原理处理数据,用最小二乘计算模型,离线验证,证实了模型的准确性。此外,本文采用粒子滤波新方法进行软仪表校正,对比卡尔曼滤波估计及权值校正结果更优,体现了粒子滤波对于解决非高斯问题的有效性,本文粒子滤波估计方案的提出为今后软测量校正这一重要课题提供了理论及实践依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-26
  1.1 研究背景、意义及本文所用方法概述  14-17
    1.1.1 催化裂化反再系统建模及操作优化  14-15
    1.1.2 乙炔加氢反应器软测量建模  15-17
    1.1.3 滤波方法在乙炔加氢软测量校正中的应用  17
  1.2 课题国内外研究现状  17-24
    1.2.1 催化裂化反再系统建模方法概述  17-18
    1.2.2 催化裂化反再系统建模方法的应用现状  18-20
    1.2.3 催化裂化反再系统优化方法概述  20-21
    1.2.4 催化裂化反再系统优化方法应用现状  21
    1.2.5 乙炔加氢反应器软测量方法概述  21-22
    1.2.6 乙炔加氢反应器建模方法应用现状  22-23
    1.2.7 滤波方法概述  23
    1.2.8 粒子滤波方法研究现状  23-24
  1.3 本论文研究内容  24-26
第二章操作优化及滤波估计的基本理论  26-40
  2.1 引言  26
  2.2 优化方法的研究  26-35
    2.2.1 序列无约束极小化方法  26-29
    2.2.2 可变容差法  29-33
    2.2.3 协同进化的微粒群优化方法  33-35
  2.3 滤波估计方法的研究  35-39
    2.3.1 卡尔曼滤波估计基本理论  35-36
    2.3.2 粒子滤波估计基本理论  36-39
  2.4 结论  39-40
第三章催化裂化反应再生系统的工艺模型及操作优化  40-56
  3.1 引言  40
  3.2 催化裂化反应再生系统的模型  40-48
    3.2.1 FCC工艺流程  40-41
    3.2.2 催化裂化反应再生系统的关联模型  41-47
    3.2.3 关联模型的功能  47-48
    3.2.4 关联模型的准确度比较  48
  3.3 目标函数、约束条件及操作变量的确定  48-51
    3.3.1 目标函数  49
    3.3.2 优化变量的选择  49-50
    3.3.3 约束条件  50-51
  3.4 优化结果  51-54
    3.4.1 SUMT法,可变容差法,CPSO法产值最优优化结果  51-52
    3.4.2 产值优化方案优化结果分析  52-53
    3.4.3 五种产率最优方案的优化结果  53-54
  3.5 结论  54-56
第四章乙炔加氢装置软测量建模及滤波估计  56-78
  4.1 引言  56
  4.2 乙炔加氢反应器软测量模型结构  56-65
    4.2.1 装置及工艺介绍  56-57
    4.2.2 控制目标  57-58
    4.2.3 控制结构  58
    4.2.4 乙炔加氢反应器模型结构  58-65
  4.3 数据采集、预处理、模型参数辨识及离线验证  65-71
    4.3.1 数据采集  65-67
    4.3.2 数据预处理  67
    4.3.3 模型辨识  67-70
    4.3.4 模型验证  70-71
  4.4 几种滤波估计方法的结果及比较  71-73
    4.4.1 卡尔曼滤波校正结果  71-72
    4.4.2 粒子滤波校正结果  72-73
    4.4.3 滤波估计结果比较  73
  4.5 乙炔加氢装置软仪表软件  73-77
    4.5.1 软件结构  73-74
    4.5.2 软件功能介绍  74-77
  4.6 结论  77-78
第五章结论与展望  78-80
  5.1 结论  78
  5.2 展望  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-86
研究成果及发表的学术论文  86-88
作者和导师简介  88-90
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  90-91

复杂工业过程的建模优化及滤波估计

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