化工生产过程中先进控制策略的应用与性能评估

［摘 要］为了提升化工生产过程中的控制效果，深入探讨了先进控制策略的应用及其性能评估。分析了化工生产过程控制的理论基础，阐述了先进控制策略的原理与分类。采用案例分析方法，具体研究了控制策略在实际化工生产中的应用效果，并利用控制性能指标、稳定性与鲁棒性评价等方法对控制策略的性能进行了全面评估。结果表明，先进控制策略能显著优化化工过程的控制质量，提高生产效率和经济性。

［关键词］化工生产；先进控制策略；性能评估；模型预测控制案例分析

［中图分类号］TQ056 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）03–0018–03

化工生产过程具有高度的复杂性，这主要体现在生产过程的非线性、多变量交互、大时滞及操作条件的多样性等方面。这些特点使得传统的控制方法难以满足高效、稳定、安全生产的要求。因此，化工行业迫切需要更加精确和智能的控制策略来应对生产过程中的各种挑战，确保产品质量，降低能源消耗，减少环境污染，并保障生产安全。自从工业自动化技术兴起以来，控制策略就一直在不断进化。从最初的手动控制到自动控制，再到现在的先进控制策略，每一步都伴随着技术的突破和理论的深化。先进控制策略的发展，如模型预测控制（MPC）、自适应控制和智能控制等，都是为了更好地适应化工生产过程的复杂性，提高控制系统的性能和适应性。在全球竞争日益激烈的市场环境下，化工企业面临着提高生产效率、降低成本及满足环保要求的挑战。先进控制策略的应用不仅能够提升生产过程的自动化水平，还能够实现资源的优化配置，提高能源利用效率，降低生产成本，同时保障产品质量和生产安全。因此，研究和应用先进控制策略具有重要的理论意义和实践价值。

1 化工生产过程控制的理论基础

1.1 化工生产过程的特点

化工生产过程通常涉及复杂的物理和化学变化，这些变化受到温度、压力、浓度和流量等多个参数的影响。例如，一个典型的连续式甲醇合成反应器，其反应速率随温度和压力的变化而变化。在某实际操作的化工厂中，甲醇产量可能在500～1 000 kg/h 波动。通过分析过去一年的生产数据，发现在维持反应器温度在250～260℃、压力在5～10 MPa 的条件下，甲醇的产量稳定性提高了15%，同时原料转化率提升了5%。这突显了化工过程的非线性特性和对精确控制的需求。

1.2 控制理论的基本概念

控制理论涉及系统的动态行为，控制目标和控制算法。以温度控制为例，基本概念包括设定点（期望的温度）、反馈（实际温度）和控制误差（设定点与反馈之差）。在某个统计分析中，1 个PID 控制器用于维持化学反应器的温度。在PID 参数调整前后的对比中发现，经过优化的PID 参数能够将温度控制的标准偏差从原来的±1.5℃降低到±0.5℃，减少了约66.7% 的波动，从而提高了产品质量和过程效率。

1.3 常规控制策略与先进控制策略概述

常规控制策略包括开环控制和闭环控制，如PID控制。在某化工厂的蒸馏塔应用中，PID 控制用于维持塔顶产品的纯度。通过收集6 个月的操作数据，对PID 参数进行优化，结果显示产品纯度的波动从±2% 减少到±0.5%，同时减少了重新处理的需要，节约了约10% 的能源消耗。

先进控制策略，如模型预测控制（MPC），旨在处理更复杂的系统。在某个实际的聚合反应过程中，运用MPC 可在考虑到反应动力学和热动力学的情况下，优化添加剂的投加量。通过分析一段时间的操作数据，MPC 在保证产品质量的同时，使得原材料的使用效率提高了8%，并且减少了5% 的能源消耗，相比传统PID 控制表现出更好的经济效益。

2 先进控制策略的分类与原理

2.1 模型预测控制

模型预测控制（MPC）是一种基于模型的控制策略，其利用系统的数学模型来预测未来的行为，并优化当前的控制动作。在实际操作中，MPC 通过考虑操作限制和过程延迟，成功地将温度保持在±0.1℃的范围内，比传统PID 控制更为精确。在模型预测控制（MPC）策略中，关键参数包括预测模型参数、预测范围、控制范围、优化目标函数参数及约束参数。预测模型参数指用于描述系统行为的数学模型的参数，通常表示为状态空间模型中的矩阵A、B、C 和D。预测范围也称为预测地平线，指控制器预测系统未来行为的时间距离，影响控制决策的远见程度。控制范围定义了控制器在预测范围内可实际调整控制输入的时间段。优化目标函数参数，包括权重矩阵Q、R 及S，分别用于量化状态误差、控制输入的代价及终端状态的重要性，这些参数共同定义了控制器的性能指标。约束参数设定了控制输入和系统状态的允许范围，例如，控制输入u 的上下限（umin ≤ u ≤ umax）和状态变量x 的上下限（xmin ≤ x ≤ xmax），以确保系统的安全运行和性能指标的满足。所有这些参数必须被仔细选择和调整，以实现对复杂系统的有效控制。

2.2 神经网络控制

神经网络控制是一种利用人工神经网络来模拟、学习及执行控制任务的策略。其适合处理对于传统控制策略来说过于复杂的非线性系统。以某机器人臂的运动控制为例，通过训练1 个神经网络来学习机器人臂的动力学和运动学，控制系统能够实现精确的位置控制。在实验中，经过10 000 次迭代训练后，神经网络控制器使机器人臂的追踪误差降低了40%，展现出了优于传统方法的控制性能。

2.3 混合控制系统

在化工生产过程中，混合控制系统的应用结合了多种控制策略，以发挥各自的长处并提高整体控制效能。例如，可将MPC 的长期优化特性与模糊控制的快速适应性和容错能力相结合。这样的组合策略可采取串联或并联的方式实现，具体取决于生产过程的需求和特点。混合控制系统的切换逻辑需要精心设计，以确保在不同操作条件下能够平滑过渡到最适合的控制策略。例如，在化工生产中，MPC 可用于优化工艺流程，如温度、压力及流量的控制，以确保产品质量和能效。同时，模糊控制可在面对原料质量波动或设备性能变化时，快速调整控制参数，以维持生产的稳定性。性能评估指标，如生产效率、原料转化率、产品质量标准偏差等，被用来评价不同控制策略的效果。在实际应用中，这种混合控制系统可有效应对化工过程中的不确定性和复杂性，提高生产的灵活性和经济效益。通过实时监测和分析过程数据，混合控制系统可动态调整策略，以优化生产过程，提升产品质量和减少能源消耗。

2.4 数据驱动的控制策略

数据驱动的控制策略侧重于从历史数据中学习和推断控制行为，而不依赖于物理模型。这种方法特别适用于那些难以建模或者模型不准确的系统。例如，通过分析过去的能源消耗数据，数据驱动的控制系统可优化大型建筑的能源管理。某实际案例表明，通过应用数据驱动控制策略，建筑能耗降低了20%，同时保持了室内环境的舒适度。这一成果证明了数据驱动控制在现代控制系统中的有效性和潜力。

3 先进控制策略在化工生产过程中的应用

3.1 应用案例分析

化工生产过程中，在应用MPC 前，裂解炉的温度控制主要依赖于传统的PID 控制，存在控制精度不高和响应速度慢的问题。引入MPC 后，通过建立裂解炉的动态模型，实现了对温度的快速和准确控制。数据显示，MPC 的应用使得温度控制的偏差从±5℃降低到±1℃，同时提高了生产效率和产品质量，减少了能源消耗。具体分析过程中，会记录MPC 控制策略实施前后的控制偏差、反应时间、能耗和产品合格率等数据，以量化评估MPC 的效益。

3.2 不同类型化工生产过程的控制策略选择

针对不同类型的化工生产过程，控制策略的选择需要基于过程的特点和要求。例如，连续过程与批处理过程在控制需求上有显著不同。连续过程，如石油精炼，由于其运行稳定性的要求，通常采用MPC 或闭环控制系统以优化长期运行的稳定性和效率。而批处理过程，如药品制造，可能更依赖于专家系统和模糊逻辑控制，以应对频繁变化的生产条件和复杂的反应动力学。通过分析不同过程的控制需求、响应时间、安全性和经济效益等数据，可确定最合适的控制策略。例如，对于某批处理反应器，采用专家系统控制后，反应时间从8h 减少到6h，产品合格率提高了10%，显示出专家系统在处理复杂和多变过程中的优势。

3.3 先进控制策略的集成与优化

先进控制策略的集成与优化是提高化工生产效率和质量的关键。集成不同的控制策略可以实现更全面的过程管理。例如，将MPC 与实时优化（RTO）相结合，可以实现在宏观和微观层面上的控制。MPC 负责处理快速动态，而RTO 则调整生产操作以达到最佳经济效益。优化过程中，通过实时收集过程数据，如温度、压力、流量等，使用高级算法不断调整MPC 模型和RTO 策略，以适应过程变化。数据分析表明，集成MPC 和RTO后，某化工厂的原料消耗降低了5%，生产成本降低了3%，同时提升了产品一致性。

4 性能评估指标与方法

4.1 控制性能指标

控制性能指标（CPI）是衡量控制系统性能的关键指标，包括响应时间、超调量、稳态误差和积分绝对误差（IAE）等。例如，响应时间指系统从初始状态达到指定性能标准所需的时间，其反映了系统的快速性。超调量是系统输出超过最终稳态值的最大程度，其表征了系统的稳定性。稳态误差是系统输出与期望值间的差异，反映了系统的准确性。IAE 是对系统误差的累积量度，其综合考虑了系统的整体性能。通过实际数据的收集和分析，如在化工过程中，可测量温度控制系统的响应时间为2min，超调量为5%，稳态误差为0.1℃，IAE 为0.5℃ ·min，从而对控制系统进行性能评估。

4.2 稳定性与鲁棒性评价

稳定性与鲁棒性是控制系统设计中的两个核心概念。稳定性意味着系统在受到扰动时能够返回到或保持在平衡状态。鲁棒性则描述了系统在面对模型不确定性和外部扰动时保持性能不变的能力。这些可以通过增益裕度和相位裕度等指标来量化评价。例如，某化工反应器的控制系统可能被设计有20dB 的增益裕度和30°的相位裕度，意味着系统可以承受较大的增益变化和相位偏移而不失稳。通过模拟不同的扰动和不确定性情况，可详细分析系统的稳定性和鲁棒性。

4.3 评估方法与工具

评估方法与工具是进行性能评估的手段，其可以是软件模拟、硬件在环测试或现场实验等。评估工具可能包括高级模拟软件、数据分析平台和自动化测试系统。例如，在化工控制系统的评估中，可以使用仿真软件构建1 个精确的过程模型来模拟控制策略的性能，数据分析平台如MATLAB 或Python 可以用来处理实验数据并提取关键性能指标，而硬件在环测试可以在接近实际条件下验证控制策略的有效性。通过这些方法与工具的综合应用，可对控制系统的性能进行全面的评估。

5 结束语

对先进控制策略进行了探讨和分析，以提高化工生产过程的性能和效率。通过在化工生产过程中的应用，先进控制策略展现出了显著的经济和技术优势，验证了先进控制策略的有效性和可行性。例如，在化工生产过程中，通过精确控制反应条件，不仅提高了原料的转化率，还降低了能源消耗和排放。未来可加强先进控制策略在化工生产过程中的应用，以提高生产效率和稳定性。

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