RU2826858C1

RU2826858C1 - Method for multiply connected control of technological processes with prediction

Info

Publication number: RU2826858C1
Application number: RU2023132197A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Туманов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Т-Софт"
Filing date: 2023-12-01
Publication date: 2024-09-17

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: present invention relates to methods of multiply connected control of technological process with prediction. Present technical solution is used in the field of oil refining, petrochemistry, in particular, it is used in control of processes of rectification, reforming, hydrocracking, hydrotreatment, etc., but can be used in operation with other process systems and processes. When changing one parameter, constructing a forecast of how the change in the input parameters will affect the change in the output parameters, for this, the transient processes models are built, where dependences of each output parameter on each input parameter are given by functions of transient processes in the form of aperiodic dynamic links. Coefficients of these functions are determined in preliminary experiments or from historical data. Set of models of the effect of each input parameter on each output parameter is obtained. For each combination of models, the root-mean-square deviation of the parameters of the models from the reference data is calculated; a combination of values of the output parameters for which the root-mean-square deviation is minimum is found. That is, such a set of control actions (values of input parameters) is found, at which the values of the output parameters of the system are as close as possible to the given indicators. These values of parameters are used by the multiparameter controller for implementation of control actions and maintenance of values of process parameters in the specified ranges.

EFFECT: prevention and reduction of mutual perturbations in various control loops of technological objects during control action, increase in the rate of prediction of the behaviour of technical systems (efficiency) and high accuracy of controlling multi-parameter technological processes; increasing the efficiency of the technological system by maintaining optimal technological parameters.

1 cl

Description

Данное изобретение относится к способам многосвязного управления технологическим процессом с прогнозированием. Настоящее техническое решение используется в области нефтепереработки, нефтехимии, в частности, применяется при управлении процессами ректификации, риформинга, гидрокрекинга, гидроочистки и т.п., но может использоваться и при работе с другими технологическими системами и процессами.This invention relates to methods of multi-connected control of a technological process with forecasting. This technical solution is used in the field of oil refining, petrochemistry, in particular, it is used in controlling the processes of rectification, reforming, hydrocracking, hydrotreatment, etc., but can also be used when working with other technological systems and processes.

В процессе нефтепереработки, как правило, получают смесь различных нефтепродуктов. Стоимость нефтепродуктов существенно отличается друг от друга в зависимости от возможности его дальнейшего применения: этан можно использовать как сырье для производства полиэтилена, его стоимость существенно выше, чем у метана, который почти всегда используется в качестве топлива. Требования к каждому виду нефтепродуктов жестко регламентированы нормативными документами, но для большинства нефтепродуктов не требуется выход абсолютно «чистого» продукта, наличие примесей допускается. Поэтому, как правило, цель технологического процесса - максимальный выход наиболее ценного продукта при жестких ограничениях на состав каждого продукта.In the process of oil refining, as a rule, a mixture of various oil products is obtained. The cost of oil products differs significantly from each other depending on the possibility of its further use: ethane can be used as a raw material for the production of polyethylene, its cost is significantly higher than that of methane, which is almost always used as fuel. The requirements for each type of oil product are strictly regulated by regulatory documents, but for most oil products, the yield of an absolutely "pure" product is not required, the presence of impurities is allowed. Therefore, as a rule, the goal of the technological process is the maximum yield of the most valuable product with strict restrictions on the composition of each product.

Нефть собирается и подготавливается на различных месторождениях и может смешиваться в разных пропорциях в нефтепроводах, поэтому на нефтеперерабатывающих и нефтехимических технологических объектах состав сырья постоянно изменяется. При влиянии внешних возмущений, таких, например, как изменение температуры атмосферного воздуха в течение суток, требуется постоянная коррекция технологического процесса для достижения максимальной эффективности. В целом, технологические процессы нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, как объекты управления, являются многосвязными, характеризуются значительной инерционностью, постоянным изменением динамических характеристик каналов управления.Oil is collected and prepared at various fields and can be mixed in different proportions in oil pipelines, so the composition of raw materials at oil refining and petrochemical process facilities is constantly changing. Under the influence of external disturbances, such as, for example, changes in atmospheric air temperature during the day, constant correction of the process is required to achieve maximum efficiency. In general, the processes of oil refining and petrochemical production, as control objects, are multi-connected, characterized by significant inertia, constant change in the dynamic characteristics of control channels.

Приведем пример способа управления технологическим процессом на примере ректификационной колонны без дополнительных выводов продукта. Здесь основная технологическая задача - разделить входящее в нее сырье на отдельные потоки веществ с различной молярной массой. Разделение производится по параметру температуры кипения фракций. В колонне создаются такие термобарические условия, чтобы одна фракция оставалась преимущественно в жидком виде, а другая - в газообразном. Более высококипящая фракция выводится через нижний вывод колонны, низкокипящая - через верхний. Разделение производится путем подогрева и последующего испарения нефтепродукта, находящегося в нижней части колонны (куба) и одновременного охлаждения (конденсации) испарившегося нефтепродукта из верхнего вывода и его последующей подачи в виде орошения в верхнюю часть колонны. Пары нефтепродукта из куба колонны поднимаются вверх, проходя через специальные устройство - тарелки, по которым стекает сконденсированный нефтепродукт (орошение). При соприкосновении газообразной и жидкой фазы происходит множественный фазовый переход, конечным результатом которого являются достаточно четкие фракции нефтепродукта.Let us give an example of a method for controlling a technological process using a rectification column without additional product outlets. Here, the main technological task is to separate the feedstock entering it into separate streams of substances with different molar masses. Separation is performed based on the boiling point parameter of the fractions. Such thermobaric conditions are created in the column so that one fraction remains predominantly in liquid form, and the other in gaseous form. The higher-boiling fraction is removed through the lower outlet of the column, the low-boiling fraction through the upper one. Separation is performed by heating and subsequent evaporation of the oil product located in the lower part of the column (still) and simultaneous cooling (condensation) of the evaporated oil product from the upper outlet and its subsequent supply as irrigation to the upper part of the column. The vapors of the oil product from the still of the column rise upward, passing through a special device - plates, along which the condensed oil product (irrigation) flows down. When the gaseous and liquid phases come into contact, multiple phase transitions occur, the end result of which is fairly distinct fractions of the petroleum product.

Для управления описанным технологическим процессом требуется одновременно регулировать различные технологические параметры - мощность подогрева кубового продукта, мощность охлаждения верхнего (газообразного) продукта, степень открытия клапанов-регуляторов, обеспечивающих вывод продукта из установки, причем эта регулировка осуществляется оператором вручную на основе данных автоматизированной системы управления технологическим комплексом (АСУ ТП).To control the described technological process, it is necessary to simultaneously regulate various technological parameters - the heating power of the bottom product, the cooling power of the upper (gaseous) product, the degree of opening of the control valves that ensure the removal of the product from the unit, and this regulation is carried out manually by the operator based on data from the automated control system of the technological complex (ACS TP).

Данные системы АСУ ТП выполняют информационные и управляющие функции. К информационным функциям относятся сбор значений измеренных технологических переменных (давление, температура), их последующую фильтрацию, проверку достоверности, сохранения и отображения на человеко-машинном интерфейсе (на экране системы управления в операторной). К управляющим функциям относится выдача сигналов на исполнительные устройства, приводящие к смене их состояния (включение насосов, изменение степени открытия клапанов-регуляторов, частоты вращения вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения, открытие запорной арматуры и проч.). Управляющие функции используются при обнаружении опасного технологического режима и необходимости перевода управляемого объекта в безопасное состояние, при выдаче команд оператором (человеком) или при необходимости внесения воздействий для поддержания заданных значений технологических переменных.These APCS systems perform information and control functions. Information functions include collecting the values of measured process variables (pressure, temperature), their subsequent filtering, checking their reliability, saving and displaying on the human-machine interface (on the control system screen in the control room). Control functions include issuing signals to actuators that change their state (switching on pumps, changing the degree of opening of control valves, the rotation frequency of air-cooling unit fans, opening shut-off valves, etc.). Control functions are used when a dangerous process mode is detected and it is necessary to transfer the controlled object to a safe state, when issuing commands by an operator (person) or when it is necessary to introduce actions to maintain the specified values of process variables.

Конструктивно современные системы управления состоят из датчиков, которые измеряют физические параметры, и передают измеренные значения на «нижний» уровень АСУ ТП, представленный контроллерами. Контроллеры обеспечивают управляющие воздействия и обеспечивают передачу информации на «верхний» уровень АСУ ТП, представленный, как правило, набором серверов и автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов технологического процесса.Structurally, modern control systems consist of sensors that measure physical parameters and transmit the measured values to the "lower" level of the APCS, represented by controllers. Controllers provide control actions and ensure the transfer of information to the "upper" level of the APCS, represented, as a rule, by a set of servers and automated workstations (AWP) of process operators.

Для поддержания заданных значений технологических переменных в АСУ ТП используют ПИД-регуляторы, на вход которых подается текущее значение и заданное ограничение для поддержания значения технологической переменной. ПИД-регулятор обеспечивает управляющее воздействие через соответствующий контроллер. При отклонении текущего значения от заданного (а также интеграла и дифференциала отклонения) производится корректировка выдаваемого сигнала на исполнительное устройство, управляющего данной технологической переменной.To maintain the set values of process variables in the APCS, PID controllers are used, to the input of which the current value and the set limit for maintaining the value of the process variable are fed. The PID controller provides control action through the corresponding controller. When the current value deviates from the set value (as well as the integral and differential of the deviation), the signal output to the actuator controlling this process variable is adjusted.

Недостаток данного способа управления технологическими процессами заключается в том, что система управления реагирует только по факту отклонения технологических переменных от задания, управляет каждым контуром регулирования по отдельности, без учета различных факторов и причин возникновения отклонений.The disadvantage of this method of controlling technological processes is that the control system reacts only to the fact of deviation of technological variables from the task, controls each control loop separately, without taking into account various factors and reasons for the occurrence of deviations.

Для примера технологического процесса ректификационной колонны такие регуляторы применяются для поддержания заданного давления, заданной температуры в кубе и верхней части колонны, для поддержания расходов выводимых из установки продуктов.For example, in the technological process of a rectification column, such regulators are used to maintain a given pressure, a given temperature in the cube and the upper part of the column, to maintain the flow rates of products removed from the unit.

Основными проблемами при использовании набора ПИД-регуляторов является их односвязность и отсутствие прогнозирования. Дополнительно к проблемам управления с помощью ПИД-регуляторов можно отнести отсутствие возможности вовлечения в управление показателей качества выходных продуктов из-за сложности их измерения и отсутствия средств их косвенного расчета.The main problems with using a set of PID controllers are their single-connectivity and lack of forecasting. In addition to the problems of control using PID controllers, one can also include the lack of the ability to involve output product quality indicators in control due to the complexity of their measurement and the lack of means for their indirect calculation.

Способы односвязного регулирования технологическими процессами с помощью ПИД-регуляторов, описаны, например, в патентах US 6424873 «Система и способ ограничения интегральных расчетных составляющих в ПИД-регуляторах» (от 2002-07-23, патентообл. HONEYWELL INC. (Us), кл. МПК G05B11/42, G05B 5/01, G05B 13/02) и KR 20180028305 (А), «Способ управления вторичным клапаном, использующий интегральное действие ПИД в качестве регулируемой переменной, требуемой первичным клапаном», (от 2018-03-16, патентообл. KOREA SOUTH EAST POWER CO LTD [KR], кл. МПК G05B 11/40; G05B 11/42).Methods for single-loop control of technological processes using PID controllers are described, for example, in patents US 6424873 "System and method for limiting integral calculated components in PID controllers" (dated 2002-07-23, patented by HONEYWELL INC. (Us), IPC class G05B11/42, G05B 5/01, G05B 13/02) and KR 20180028305 (A), "Method for controlling a secondary valve using the integral action of a PID as a controlled variable required by a primary valve" (dated 2018-03-16, patented by KOREA SOUTH EAST POWER CO LTD [KR], IPC class G05B 11/40; G05B 11/42).

В патенте US 6424873 от 2002.07.23 описано устройство управления, которое содержит первичный пропорциональный, интегральный, дифференциальный («ПИД») регулятор, способный принимать первое заданное значение и первую переменную процесса и генерировать на их основе второе заданное значение и вторичный контроллер, способный принимать второе заданное значение и вторую переменную процесса и генерировать на их основе выходной сигнал управления. При этом первичный ПИД-регулятор способен принимать от вторичного контроллера сигнал обратной связи 1), который указывает, что предыдущее значение второго уставка превышает предел, связанный с выходным сигналом управления вторичного контроллера, и 2) который передает значение сигнала от вторичного контроллера. Тогда основной ПИД-регулятор способен ограничить вклад компонента интегрального расчета в ПИД-расчет, который генерирует новое текущее значение второй уставки. Интегральный компонент расчета может быть исключен, включен или частично включен в расчет ПИД-регулятора, чтобы эффективно минимизировать влияние нежелательных ошибочных выходных сигналов.The US patent 6424873 of 2002.07.23 describes a control device that comprises a primary proportional, integral, derivative ("PID") controller capable of receiving a first setpoint and a first process variable and generating a second setpoint on their basis, and a secondary controller capable of receiving the second setpoint and a second process variable and generating an output control signal on their basis. In this case, the primary PID controller is capable of receiving from the secondary controller a feedback signal 1) that indicates that the previous value of the second setpoint exceeds a limit associated with the output control signal of the secondary controller, and 2) that transmits the value of the signal from the secondary controller. Then the primary PID controller is capable of limiting the contribution of the integral calculation component to the PID calculation that generates a new current value of the second setpoint. The integral calculation component can be excluded, included or partially included in the PID controller calculation in order to effectively minimize the impact of unwanted erroneous output signals.

Согласно изобретению по патенту KR 20180028305 от 2018.03.16 способ управления вспомогательным клапаном в соответствии с требуемым объемом работы главного клапана с использованием интегрального действия ПИД-регулятора в электростанции включает: 1) этап: дополнительную настройку вспомогательного ПИД-регулятора для управления вспомогательным клапаном в соответствии с выходным сигналом основного ПИД-регулятора, управляющего основным клапаном, что позволяет вводить заданную положительную (+) ошибку в вспомогательный ПИД-регулятор, когда выходной сигнал основного ПИД-регулятора равен верхнему предельному значению или выше, что позволяет вводить заданную отрицательную (-) ошибку, когда выходной сигнал основного ПИД-регулятора равен нижнему предельному значению или меньше и позволяет вводить ошибку 0, когда выходной сигнал основного ПИД-регулятора находится между верхним предельным значением и нижним предельным значением, для расчета ошибки вспомогательного ПИД-регулятора в соответствии с выходом основного ПИД-регулятора; 2) этап определения времени интегрирования (Ti) вспомогательного ПИД-регулятора в соответствии со степенью открытия вспомогательного клапана; и 3) этап управления вспомогательным клапаном с помощью выходного сигнала вспомогательного ПИД-регулятора, который рассчитывается по формуле с использованием в качестве входных данных ошибки и времени интегрирования (Ti), рассчитанных на этапах 1) и 2).According to the invention of patent KR 20180028305 dated 2018.03.16, a method for controlling an auxiliary valve in accordance with a required work volume of a main valve using the integral action of a PID controller in a power plant includes: 1) a step: further adjusting the auxiliary PID controller to control the auxiliary valve in accordance with the output signal of the main PID controller controlling the main valve, which allows a predetermined positive (+) error to be input into the auxiliary PID controller when the output signal of the main PID controller is equal to the upper limit value or higher, which allows a predetermined negative (-) error to be input when the output signal of the main PID controller is equal to the lower limit value or less, and allows an error of 0 to be input when the output signal of the main PID controller is between the upper limit value and the lower limit value, to calculate the error of the auxiliary PID controller in accordance with the output of the main PID controller; 2) a step of determining the integration time (Ti) of the auxiliary PID controller according to the opening degree of the auxiliary valve; and 3) a step of controlling the auxiliary valve using the output signal of the auxiliary PID controller, which is calculated according to the formula using the error and the integration time (Ti) calculated in steps 1) and 2) as input data.

Данные технические решения иллюстрируют принцип односвязного управления на основе ПИД-регулятора. В качестве прототипа выбран способ односвязного управления технологическими процессами на технологических объектах на основе ПИД-регуляторов, в котором используют ПИД-регуляторы для каждого технологического параметра технологического процесса. Система ПИД-регуляторов управляется посредством многомерного прогнозирующего контроллера, содержащего модель технологического процесса, описывающего влияние управляемых (входных) переменных на контролируемые (выходные). На вход контроллера подаются текущие значения измеренных технологических и других переменных, а так же граничные значения каждой входной и выходной переменной, заданные оператором. Контроллер по заложенной в него модели процесса вычисляет значения технологических переменных на горизонте прогноза. Выходные переменные контролера подаются на вход существующих ПИД-регуляторов в качестве установок для соответствующих исполнительных механизмов.These technical solutions illustrate the principle of single-loop control based on a PID controller. The prototype chosen is a method of single-loop control of technological processes at technological objects based on PID controllers, in which PID controllers are used for each technological parameter of the technological process. The system of PID controllers is controlled by a multidimensional predictive controller containing a model of the technological process describing the influence of the controlled (input) variables on the monitored (output) variables. The current values of the measured technological and other variables, as well as the boundary values of each input and output variable specified by the operator, are fed to the controller input. The controller calculates the values of the technological variables on the forecast horizon based on the process model embedded in it. The controller output variables are fed to the input of the existing PID controllers as settings for the corresponding actuators.

При изменении одного входного технологического параметра -управляемого параметра, в процессе работы системы некоторые другие параметры системы могут выйти за ограничения, установленные оператором. Это отображается рассогласованием в соответствующих ПИД-регуляторах. При появлении рассогласования в соответствующих ПИД-регуляторах технологических параметров, то есть при достижении в каком-либо ТТИД-регуляторе заданного ограничения, осуществляют корректировку параметров для возвращения параметров в пределы заданных ограничений. Данный способ управления принят за прототип.When changing one input technological parameter - the controlled parameter, during the operation of the system, some other parameters of the system may go beyond the limits set by the operator. This is displayed by a mismatch in the corresponding PID controllers. When a mismatch appears in the corresponding PID controllers of technological parameters, that is, when a specified limit is reached in any TTID controller, the parameters are adjusted to return the parameters within the specified limits. This control method is adopted as a prototype.

Недостаток такого подхода заключается в том, что каждый ПИД-регулятор стремится поддержать заданное значение соответствующей технологической переменной без учета других. В связи с тем, что технологические процессы на технологических объектах являются многосвязными, почти каждое управляющее воздействие любого ПИД-регулятора вызывает множественные постепенные затухающие возмущения в других контурах регулирования. На примере ректификационной колонны, если оператор увеличил задание на поддержание температуры в кубе колонны на 5°С, в ПИД контроллере управления температурой куба появляется рассогласование и он выдает команду на постепенное приоткрытие клапана, регулирующего расход теплоносителя для подогрева кубового продукта. Через некоторое время (транспортное запаздывание) температура в кубе колонны начинает увеличиваться и постепенно регулятор доводит ее до заданной. Но, так как общий баланс энергии в колонне изменяется, это приводит к изменению давления и температуры по всему профилю колонны.The disadvantage of this approach is that each PID controller strives to maintain a set value of the corresponding process variable without taking into account the others. Due to the fact that technological processes at process facilities are multi-connected, almost every control action of any PID controller causes multiple gradual damping disturbances in other control loops. Using the example of a rectification column, if the operator increased the task to maintain the temperature in the column cube by 5°C, a mismatch appears in the PID controller for controlling the cube temperature and it issues a command to gradually open the valve regulating the flow rate of the coolant for heating the bottom product. After some time (transport delay), the temperature in the column cube begins to increase and gradually the controller brings it to the set value. But, since the overall energy balance in the column changes, this leads to a change in pressure and temperature along the entire column profile.

Это, в свою очередь, приводит к появлению рассогласования в соответствующих ПИД-регуляторах давления и температуры, и они начинают выдавать управляющие сигналы для возвращения значений своих поддерживаемых технологических переменных к заданным значениям.This, in turn, causes a mismatch to occur in the corresponding pressure and temperature PID controllers, and they begin to issue control signals to return the values of their supported process variables to the setpoints.

Для минимизации взаимных возмущений, а также из-за наличия существенных транспортных запаздываний все изменения в технологическом процессе ПИД-регуляторами производятся крайне медленно, так как быстрое изменение чревато перерегулированием, незатухающими колебательными процессами, а в целом к нарушению технологического регламента в части качества выходных продуктов.In order to minimize mutual disturbances, and also due to the presence of significant transport delays, all changes in the technological process by PID controllers are made extremely slowly, since a rapid change is fraught with overshoot, undamped oscillatory processes, and in general to a violation of the technological regulations in terms of the quality of the output products.

Следующая проблема - отсутствие прогнозирования. Изменения вносятся в управляющий сигнал только после появления рассогласования. В случае с ректификационной колонной это можно показать на примере увеличения расхода сырья в установку. При увеличении расхода сырья и неизменной мощности подогрева кубового продукта - температура кубового продукта снизится. ПИД-регулятор, поддерживающий данную температуру, начнет вносить управляющие воздействия только после снижения температуры ниже заданной. Учитывая достаточно большое транспортное запаздывание, компенсация данного возмущения занимает длительное время. ПИД-регулятор подает команду на клапан, регулирующий расход пара в теплообменнике, затем большее количество пара начинает сильнее нагревать циркулирующий кубовый нефтепродукт. Нагретому нефтепродукту необходимо попасть в куб колонны, смешаться со всем объемом вещества в колонне, и после этого показания на датчике температуры будут постепенно увеличиваться до необходимых значений.The next problem is the lack of forecasting. Changes are made to the control signal only after a mismatch occurs. In the case of a rectification column, this can be shown by the example of increasing the flow rate of raw materials into the unit. With an increase in the flow rate of raw materials and an unchanged heating power of the bottoms product, the temperature of the bottoms product will decrease. The PID controller, which maintains this temperature, will begin to make control actions only after the temperature drops below the set one. Given the fairly large transport delay, compensation for this disturbance takes a long time. The PID controller sends a command to the valve regulating the flow rate of steam in the heat exchanger, then a larger amount of steam begins to heat the circulating bottoms oil product more strongly. The heated oil product must get into the bottom of the column, mix with the entire volume of the substance in the column, and after that the readings on the temperature sensor will gradually increase to the required values.

Настоящее изобретение направлено на решение вышеперечисленных проблем. Задачей настоящего изобретения является создание способа многосвязного управления технологическими процессами, снижающего либо предотвращающего возмущения в различных контурах регулирования благодаря прогнозированию технологических процессов.The present invention is aimed at solving the above-mentioned problems. The objective of the present invention is to create a method for multi-connected control of technological processes, reducing or preventing disturbances in various control loops due to forecasting technological processes.

Технический результат заключается в предупреждении и снижении взаимных возмущений в различных контурах регулирования технологических объектов при управляющем воздействии; повышении скорости прогнозирования поведения технических систем (оперативности) и повышении точности управления многопараметрическими технологическими процессами; повышении эффективности работы технологической системы за счет поддержания оптимального технологического режима, например, снижения потребления энергоресурсов, оптимизации работы катализатора, увеличения выхода наиболее ценных продуктов; сокращении времени переходных процессов и сокращении потери качества продукции при изменениях производственных заданий; обеспечении возможности работы технологического объекта в режиме работы вблизи заданных технологических и экономических ограничений (снижение запаса по качеству).The technical result consists in preventing and reducing mutual disturbances in various control loops of technological objects during control action; increasing the speed of forecasting the behavior of technical systems (operability) and increasing the accuracy of control of multi-parameter technological processes; increasing the efficiency of the technological system by maintaining an optimal technological mode, for example, reducing energy consumption, optimizing the operation of the catalyst, increasing the yield of the most valuable products; reducing the time of transient processes and reducing the loss of product quality when changing production tasks; ensuring the possibility of operation of the technological object in an operating mode near the specified technological and economic limitations (reducing the quality margin).

Технический результат достигается за счет способа многосвязного управления технологическими процессами с прогнозированием, заключающегося в том, что используют систему ПИД-регуляторов, которой управляют с помощью многомерного прогнозирующего контроллера, на вход контроллера подают текущие значения технологических переменных и заданные ограничения, контроллер по заложенной в него модели технологического процесса вычисляет значения технологических переменных на горизонте прогноза, отличается тем, что в случае, если параметры не укладываются в заданные оператором ограничения, рассчитывают необходимые значения входных переменных для обеспечения нахождения всех переменных в заданных диапазонах значений на горизонте прогноза, для этого идентифицируют модель технологического процесса, для чего определяют зависимости выходных параметров от входных параметров, где модель зависимости представлена функцией вида апериодическое динамическое звено, получают матрицу моделей влияния каждого входного параметра на каждый выходной параметр, для каждой комбинации моделей влияния рассчитывают среднеквадратичное отклонение параметров моделей влияния от эталонных данных, находят такую комбинацию значений выходных параметров, для которых среднеквадратичное отклонение от эталонных данных минимально, за счет этого находят такой набор значений входных параметров, при которых значения выходных параметров системы максимально приближены к заданным показателям, данные значения параметров подают на вход многопараметрического контроллера для осуществления управляющих воздействий и поддержания значений технологических параметров в заданных диапазонах.The technical result is achieved by a method of multi-connected control of technological processes with forecasting, which consists in using a PID controller system, which is controlled using a multidimensional predictive controller, the current values of the process variables and specified limitations are fed to the controller input, the controller calculates the values of the process variables on the forecast horizon according to the technological process model embedded in it, characterized in that if the parameters do not fit into the limitations specified by the operator, the necessary values of the input variables are calculated to ensure that all variables are in the specified ranges of values on the forecast horizon, for this purpose the technological process model is identified, for which the dependencies of the output parameters on the input parameters are determined, where the dependency model is represented by a function of the type aperiodic dynamic link, a matrix of influence models of each input parameter on each output parameter is obtained, for each combination of influence models the root-mean-square deviation of the parameters of the influence models from the reference data is calculated, such a combination of output parameter values is found for which the root-mean-square deviation from the reference data is minimal, due to this find a set of values of input parameters at which the values of the system's output parameters are as close as possible to the specified indicators; these parameter values are fed to the input of a multiparameter controller to implement control actions and maintain the values of process parameters within specified ranges.

Сущность технического решения заключается в следующем. При изменении входного - управляемого параметра или внешнего возмущения производят моделирование зависимости выходных технологических параметров от входных параметров. Для каждого выходного параметра строят модель зависимости от входного параметра, используя модель переходного процесса - функцию вида апериодическое динамическое звено. Использование апериодических динамических звеньев для моделирования переходных процессов известно из уровня техники и применяется для создания регуляторов (см. например, Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972, гл. 14.1, https://scask.ru/g_book_b_tau.php?id=86). В нашем случае используют апериодическое звено 1 или 2 порядка либо идеальное или реальное интегрирующее звено.The essence of the technical solution is as follows. When changing the input - controlled parameter or external disturbance, the dependence of the output process parameters on the input parameters is modeled. For each output parameter, a model of the dependence on the input parameter is built using a transient process model - a function of the type of aperiodic dynamic link. The use of aperiodic dynamic links for modeling transient processes is known from the prior art and is used to create regulators (see, for example, Besekersky V.A., Popov E.P. Theory of automatic control systems. Moscow: Science, 1972, Chapter 14.1, https://scask.ru/g_book_b_tau.php?id=86). In our case, an aperiodic link of the 1st or 2nd order or an ideal or real integrating link is used.

Функции вида апериодические динамические звенья f (T, k, c) идентифицируют по коэффициентам переходных процессов - транспортное запаздывание, коэффициент инерционности и усиления. Транспортное запаздывание Т показывает через какое время после изменения входной переменной начнет изменяться выходная переменная. Коэффициент усиления k показывает, на сколько изменится значение выходной переменной при изменении входной переменной на значение X. Коэффициент инерционности с - через какое время значение выходной переменной изменится примерно на 2/3 от своего полного изменения k*Х. Коэффициенты переходных процессов Т, k, с для различных параметров определяются по ретроспективным данным системы или из предварительных экспериментов. В результате получают матрицу моделей влияния управляемых переменных и измеряемых возмущений на контролируемые переменные, где каждая модель влияния является моделью переходного процесса с соответствующими коэффициентами, полученными по ретроспективным данным или из эксперимента.Functions of the form aperiodic dynamic links f (T, k, c) are identified by the coefficients of transient processes - transport delay, inertia coefficient and gain. Transport delay T shows after what time after the change of the input variable the output variable will begin to change. Gain coefficient k shows by how much the value of the output variable will change when the input variable changes by the value X. Inertia coefficient c - after what time the value of the output variable will change by approximately 2/3 of its full change k*X. Coefficients of transient processes T, k, c for different parameters are determined by retrospective data of the system or from preliminary experiments. As a result, a matrix of models of the influence of controlled variables and measured disturbances on the controlled variables is obtained, where each model of influence is a model of the transient process with the corresponding coefficients obtained from retrospective data or from an experiment.

Для каждой комбинации моделей рассчитывают среднеквадратичное отклонение параметров моделей от эталонных данных. Среднеквадратичное отклонение - сумма квадратов разностей значений параметров, полученных по моделям и значений, полученных по эталонным данным. Эталонные данные - это калибровочные данные, связывающие изменения входных параметров и отклик системы на эти изменения - реальные показатели состояния системы, зарегистрированные датчиками или полученные предварительно в лабораторных исследованиях.For each combination of models, the standard deviation of the model parameters from the reference data is calculated. The standard deviation is the sum of the squares of the differences between the parameter values obtained from the models and the values obtained from the reference data. Reference data are calibration data that relate changes in input parameters and the system's response to these changes - real indicators of the system's state, recorded by sensors or obtained in advance in laboratory studies.

Находят такую комбинацию значений выходных параметров, для которых среднеквадратичное отклонение минимально. Таким образом, определяют такой набор входных параметров, при котором значения выходных параметров будет наиболее близким к эталонным данным. То есть, находят такой набор управляющих воздействий, который максимально приближает параметры системы к заданным показателям, при которых система максимально стабильна. Это минимизирует эффекты взаимных возмущений и исключается возможность возникновения незатухающих колебаний в системе.A combination of output parameter values is found for which the standard deviation is minimal. Thus, a set of input parameters is determined for which the output parameter values will be closest to the reference data. That is, a set of control actions is found that brings the system parameters as close as possible to the specified indicators for which the system is maximally stable. This minimizes the effects of mutual disturbances and eliminates the possibility of undamped oscillations in the system.

Разность между параметром по модели и эталонным данным определяет диапазон значений, в который должно попасть значение выходного параметра. Эти значения подают на вход многопараметрического контроллера, который осуществляет на основе этих значений расчет уставок на ПИД-регуляторы, ПИД-регуляторы осуществляют корректировку выдаваемых сигналов на исполнительные устройства для поддержания значения технологических параметров в заданных диапазонах.The difference between the model parameter and the reference data determines the range of values that the output parameter value must fall within. These values are fed to the input of the multiparameter controller, which calculates the settings for the PID controllers based on these values. The PID controllers adjust the signals sent to the actuators to maintain the values of the process parameters within the specified ranges.

Отличие от прототипа заключается в том, что в нашем случае при изменении одного параметра строят прогноз, как изменение входных параметров повлияет на изменение выходных параметров, для этого строят модели переходных процессов, где зависимости каждого выходного параметра Р_выx от каждого входного параметра Р_вх заданы функциями переходных процессов. Коэффициенты этих функций Т, k, с определяются в предварительных экспериментах или по ретроспективным данным.The difference from the prototype is that in our case, when changing one parameter, a forecast is built on how the change in input parameters will affect the change in output parameters. For this, transient process models are built, where the dependencies of each output parameter P _out on each input parameter P _in are specified by transient process functions. The coefficients of these functions T, k, c are determined in preliminary experiments or according to retrospective data.

Получают набор моделей влияния каждого входного параметра на каждый выходной параметр. Таким образом, определяют влияние комбинации входных параметров на выходной параметр как сумму моделей влияния каждого входного параметра на данный выходной параметр.A set of models of the influence of each input parameter on each output parameter is obtained. Thus, the influence of a combination of input parameters on an output parameter is determined as the sum of the models of the influence of each input parameter on a given output parameter.

где i - номер выходного параметра, j - входного параметра.where i is the number of the output parameter, j is the number of the input parameter.

Для каждой комбинации выходных параметров рассчитывают среднеквадратичное отклонение выходных параметров моделей от эталонных данных.For each combination of output parameters, the standard deviation of the output parameters of the models from the reference data is calculated.

Находят такую комбинацию значений выходных параметров Р_выхk, для которых среднеквадратичное отклонение минимально, при условии попадания параметров в заданные ограничения Р: [P_min, P_max]Find such a combination of values of output parameters P _outk for which the standard deviation is minimal, provided that the parameters fall within the given constraints P: [P _min , P _max ]

По этой комбинации находят такой набор управляющих воздействий (значений входных параметров), при которых значения выходных параметров системы максимально приближены к заданным показателям.Using this combination, a set of control actions (input parameter values) is found, at which the values of the system’s output parameters are as close as possible to the specified indicators.

Эти значения устанавливают в системе управления для осуществления управляющего воздействия на исполнительных механизмы. Разность между значением параметра по модели и эталонным данным определяет минимальные допустимые диапазоны значений, в которых должны попасть выходные параметры.These values are set in the control system to implement control action on the actuators. The difference between the parameter value according to the model and the reference data determines the minimum permissible ranges of values in which the output parameters must fall.

В отличие от прототипа, в нашем случае находят набор параметров системы, при которых технологический объект выйдет на заданный режим работы без дополнительных последовательных корректировок. Эти параметры выставляют в качестве допустимых диапазонов значений для соответствующих параметров системы сразу в момент изменения задания системы. Это может происходить в автоматизированном режиме. При этом исключаются такие эффекты, как автоколебания, минимизируются взаимные возмущения, увеличивается скорость и точность управления технологическими процессами. За счет поддержания оптимального технологического режима, получают множество полезных эффектов - снижение потребления энергоресурсов, оптимизацию работы катализатора, увеличение выхода наиболее ценных продуктов, сокращение времени переходных процессов и сокращение потери качества продукции при изменениях производственных заданий, обеспечение возможности работы технологического объекта в режиме работы вблизи заданных технологических и экономических ограничений (снижение запаса по качеству).Unlike the prototype, in our case, a set of system parameters is found at which the technological object will reach the specified operating mode without additional sequential adjustments. These parameters are set as acceptable ranges of values for the corresponding system parameters immediately at the moment of changing the system task. This can happen in an automated mode. In this case, such effects as self-oscillations are excluded, mutual disturbances are minimized, the speed and accuracy of technological process control are increased. By maintaining the optimal technological mode, many useful effects are obtained - reduced energy consumption, optimized catalyst operation, increased yield of the most valuable products, reduced transient time and reduced loss of product quality when changing production tasks, ensuring the possibility of the technological object operating in an operating mode close to the specified technological and economic limitations (reduced quality margin).

При этом система постоянно осуществляет контроль - выходят ли параметры за границы допустимых значений или нет. При изменении внешних возмущений, система управления реагирует на изменения параметров в режиме реального времени и корректирует воздействия на исполнительные механизмы. Например, в течение суток происходит значительный перепад температуры воздуха, из-за этого температура внутри ректификационной колонны изменяется, это оказывает влияние на термодинамические процессы внутри колонны. С помощью нашего способа в режиме реального времени система в автоматизированном режиме производит учет изменения температуры и оказывает управляющие воздействия на исполнительные механизмы, чтобы нивелировать несанкционированное изменение температуры колонны.At the same time, the system constantly monitors whether the parameters go beyond the permissible values or not. When external disturbances change, the control system reacts to parameter changes in real time and adjusts the effects on the actuators. For example, during the day there is a significant drop in air temperature, due to which the temperature inside the rectification column changes, this affects the thermodynamic processes inside the column. Using our method, in real time, the system automatically records the temperature change and exerts control effects on the actuators in order to level out unauthorized changes in the column temperature.

Техническое решение можно пояснить следующим примером. Есть производственное задание на изменение показателей качества кубового продукта. Задание, как правило, формулируется именно в смещении температур кипения фракций, либо в процентном содержании верхней фракции в нижнем продукте или нижней фракции в верхнем продукте. Для этого оператор технологического процесса увеличивает уставки на температуру кубового продукта, за счет чего происходит изменения распределения фракций между верхним и нижним продуктом колонны (увеличение температуры конца кипения нижнего продукта и начала кипения верхнего, либо снижение концентрации верхнего продукта в нижнем).The technical solution can be explained by the following example. There is a production task to change the quality indicators of the bottom product. The task is usually formulated in terms of shifting the boiling temperatures of the fractions, or in the percentage of the upper fraction in the bottom product or the lower fraction in the top product. To do this, the process operator increases the temperature settings of the bottom product, due to which the distribution of fractions between the top and bottom products of the column changes (an increase in the end boiling temperature of the bottom product and the beginning of boiling of the top product, or a decrease in the concentration of the top product in the bottom).

При работе со стандартным способом управления технологическим объектом (прототип) оператор вынужден постепенно изменять уставки на поддержание технологических переменных, влияющих на параметры, заданные в производственном задании. Данные изменения оператор производит, основываясь на собственном опыте. Выведение технологических параметров к заданным значениям, как правило, производится в течение одних суток (или даже нескольких суток). Длительное время выведения обусловлено тем, что показатели качества продукции, как правило, не измеряются в режиме реального времени, а определяются в лаборатории с запаздыванием от процесса в несколько часов. То есть, оператор узнает о реальных показателях продукции технологического объекта по факту только через несколько часов после получения результатов анализов из лаборатории. Все это время оператор итеративно очень медленно приближает технологические переменные к заданным показателям по мере получения результатов лабораторных анализов, проводимых раз в 4, 8, 12 часов.When working with a standard method of controlling a technological object (prototype), the operator is forced to gradually change the settings to maintain the technological variables that affect the parameters specified in the production task. The operator makes these changes based on his own experience. As a rule, the technological parameters are brought to the specified values within one day (or even several days). The long time of bringing them to the specified values is due to the fact that product quality indicators are usually not measured in real time, but are determined in the laboratory with a delay of several hours from the process. That is, the operator learns about the actual indicators of the technological object's output only several hours after receiving the test results from the laboratory. All this time, the operator iteratively very slowly brings the technological variables closer to the specified indicators as the results of laboratory tests are received, conducted once every 4, 8, 12 hours.

В нашем случае при использовании заявляемого способа оператор вводит в систему непосредственно производственное задание показателей качества в натуральных единицах (температуры кипения, концентрации и т.д.). Данные показатели вводятся в виде допустимого диапазона значений показателей качества продукции - выходных параметров и управляемых переменных - входных параметров. После ввода значений, в случае, если текущие или прогнозные значения показателей качества выходят за диапазон значений согласно встроенной стандартной динамической модели технологического процесса, с помощью нашего способа находят набор диапазонов значений параметров, таким образом, чтобы при повышении одного параметра - например, температуры кипения фракций, остальные параметры остались в заданных диапазонах значений. Данные значения подают на вход многопараметрического контроллера. При этом, оператору уже не нужно итеративно постепенно корректировать технологические параметры, чтобы они вышли к заданным значениям. С помощью нашего способа находят набор значений технологических параметров, установив которые система сама выводит технологический процесс на заданный режим работы с заданными показателями.In our case, when using the claimed method, the operator directly enters into the system the production task of quality indicators in natural units (boiling point, concentration, etc.). These indicators are entered in the form of an acceptable range of values of product quality indicators - output parameters and controlled variables - input parameters. After entering the values, if the current or predicted values of the quality indicators go beyond the range of values according to the built-in standard dynamic model of the technological process, using our method, a set of ranges of parameter values is found so that when one parameter increases - for example, the boiling point of fractions, the remaining parameters remain in the specified ranges of values. These values are fed to the input of the multiparameter controller. In this case, the operator no longer needs to iteratively gradually adjust the process parameters so that they reach the specified values. Using our method, a set of values of process parameters is found, having set which the system itself brings the technological process to a specified operating mode with specified indicators.

Существуют ситуации, когда есть пары многосвязных переменных, между которыми есть конфликт. При нахождении одного параметра в заданном диапазоне не может быть выполнено другое условие - нахождение другого параметра в заданном диапазоне. Отличительной особенностью заявляемого способа является возможность разрешения таких конфликтных ситуаций при невозможности обеспечения нахождения всех переменных в заданных диапазонах.There are situations when there are pairs of multi-connected variables between which there is a conflict. When one parameter is in the given range, another condition cannot be met - the other parameter being in the given range. A distinctive feature of the claimed method is the ability to resolve such conflict situations when it is impossible to ensure that all variables are in the given ranges.

Например, рассмотрим ситуацию, когда для бинарной ректификационной колонны (депропанизатор) заданы качества верхнего и нижнего продукта, а также расход нижнего продукта. В случае, если невозможно одновременно поддерживать заданное качество обоих продуктов, и будет отдан приоритет качеству одного продукта, при этом качество второго продукта окажется вне диапазона заданных значений, то с помощью нашего способа возможно максимально приблизить качество второго продукта к первоначально заданному при условии невыхода за допустимый диапазон качества первого продукта. Таким образом, достигается снижение запаса по качеству.For example, let us consider a situation where the qualities of the upper and lower products, as well as the flow rate of the lower product, are specified for a binary rectification column (depropanizer). If it is impossible to simultaneously maintain the specified quality of both products, and priority is given to the quality of one product, while the quality of the second product is outside the range of specified values, then using our method it is possible to bring the quality of the second product as close as possible to the initially specified one, provided that the permissible range of the quality of the first product is not exceeded. Thus, a reduction in the quality reserve is achieved.

За счет данного способа достигается технический результат по предупреждению и снижению взаимных возмущений в различных контурах регулирования технологических объектов, повышению скорости прогнозирования поведения технических систем (оперативности), повышению точности управления многопараметрическими технологическими процессами и т.д.This method achieves the technical result of preventing and reducing mutual disturbances in various control loops of technological objects, increasing the speed of forecasting the behavior of technical systems (operability), increasing the accuracy of control of multi-parameter technological processes, etc.

Claims

A method of multivariate control of technological processes with forecasting, consisting in the fact that they use a system of PID controllers, which is controlled using a multidimensional predictive controller, the current values of the process variables and specified constraints are fed to the controller input, the controller calculates the values of the process variables on the forecast horizon according to the technological process model embedded in it, characterized in that if the parameters do not fit into the constraints specified by the operator, the necessary values of the input variables are calculated to ensure that all variables are in the specified ranges of values on the forecast horizon, for this purpose they identify the technological process model, for which they determine the dependencies of the output parameters on the input parameters, where the dependency model is represented by a function of the type aperiodic dynamic link, they obtain a matrix of models of the influence of each input parameter on each output parameter, for each combination of influence models they calculate the root-mean-square deviation of the parameters of the influence models from the reference data, they find such a combination of values of the output parameters for which the root-mean-square deviation from the reference data is minimal, due to this they find such a set of values input parameters, at which the values of the output parameters of the system are as close as possible to the specified indicators, these parameter values are fed to the input of the multiparameter controller to implement control actions and maintain the values of the process parameters in the specified ranges.