点击数: 更新日期: 2023-12-25
中文题目：基于REGA的换热网络多入多出控制系统全周期在线重构方法
论文题目：Full cycle on-line autonomous reconfiguration of MIMO control system based on REGA pairing principle for heat exchanger networks
录用期刊/会议：Journal of Process Control (JCR Q2)
原文DOI：10.1016/j.jprocont.2023.103081.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959152423001683
录用/见刊时间：2023/09/25
作者列表：
1） 任 超 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 硕20
2） 孙 琳 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 教师
3） 许 锋 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 教师
4） 罗雄麟 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 自动化系 教师
文章简介:
本文提出了一种新的自主重构策略来实现换热网络的全周期最优控制。该方法能够在线选择最优控制结构，以解决由结垢热阻积累引起的慢时变过程过渡的问题。本文通过引入一个辅助变量来增加系统的控制自由度，并设计了一种灵活的控制结构，为变量之间提供适当的动态配对。随后通过计算非参数相对能量增益矩阵（REGA）设计切换机制来决定控制回路之间的切换时间和可变配对模式。此外，还对切换域进行了在线优化，保证了最优的控制性能。最后，通过对粗蒸馏装置中的换热网络进行实验，证明了该控制方法的有效性。与常规控制系统相比，换热网络的使用寿命延长了近18个月，而且仍有进一步调整的空间。
背景与动机:
随着时间的推移，换热网络中的结垢热阻不断积累，系统的操作条件也会因此发生变化，这导致其换热效率随时间不断降低。为了解决过程过渡带来的一系列问题，需要设计控制方案来维持换热网络的出口温度稳定在设定值。由于常规控制策略，如流量控制和旁路控制等难以满足全周期持续可控的目标，因此需要设计新的控制系统。
主要内容:
1. 基于REGA的变量配对原理
对于状态轨迹的设计，基于稳态增益的变化是一种有效的方法。在换热网络的全周期运行过程中，控制变量的增益会随着工况的迁移而衰减，并且在不同的控制结构中，增益的变化趋势是不同的。如下图所示。在换热网络的全周期控制中，um和ua有两种操作状态：调整和保持。当变量参与调节过程时，其相应的裕度空间很快被消耗掉。随着裕度的消耗，稳态工作点逐渐接近饱和区，变量的增益也随之降低。相反，当变量保持不变时，其裕度和增益以较慢的速率下降。稳态增益变化可以很好地反映系统的状态。基于以上分析，由于REGA不仅可以反映增益的变化，而且可以显示变量之间的相关性，在设计状态轨迹可以考虑使用变量的REGA特性。
2. 在线自主重构控制系统
本文所提出的 OARC 的控制过程如下图所示。选择器由三部分组成：用于切换域在线优化的优化器、基于REGA的切换机制和多模态模型。优化器和切换机制生成切换信号，该信号始终基于当前实际的操作条件。多模态模型对应于不同的变量配对方式，因此每个模型中的控制结构也不同。当切换信号产生时，用于计算操纵变量值u的多模态模型也相应地被切换。
3. 切换域的在线优化
由于结垢热阻的累积值与历史运行数据相关，因此在优化中采用了在线优化的方法。对于所提出的控制过程，当REGA的轨迹首次触碰到下限时，下一次优化过程开始。每次优化的优化周期是从当前时间到操作结束。在每一次滚动优化中，系统的状态X的值从上一次优化控制中获得，从而确保每次优化都是基于实际的运行状况。同时，控制过程将根据最佳距离运行，其中变量在切换时刻配对，如下图所示。
另一方面，切换域是对REGA值的约束，因此它们的设计与主变量的REGA值密切相关。在本文中，切换域的边界采用线性函数描述，对于第k次优化过程，假设在前一次优化中，切换域的下边界在Ti时刻被触碰，则该优化中开关区域的上边界和下边界可由下式表示。
实验结果及分析:
本文通过对粗蒸馏装置中的换热网络模型进行仿真实验分析，比较常规控制策略与在线重构控制策略的控制效果，得到以下实验结果。
根据实验结果可知，常规控制策略在第18个月左右失去了控制能力，而在线自动重构控制策略（OARC）实现了换热网络全周期持续可控的目标。
结论:
（1）本文研究了一种状态依赖的切换结构。基于结垢过程对换热网络的影响，采用了切换控制结构的方式，通过设计多模态模型来实现全周期控制。
（2）变量配对过程采用了非参数REGA的方法。对于复杂的非线性动态换热网络模型，该方法可以准确地提供合适的匹配方案。
（3）提出了一种切换域的在线优化方法。该设计避免了切换过程的抖动，并确保了裕度的最佳利用。
通讯作者简介:
孙琳，中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院硕士研究生导师，主要研究方向为化工过程控制，过程系统工程。