基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统技术方案

本发明专利技术公开了基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统，由管式反应器、流率传感器、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室流率及产品浓度显示、流率控制阀门端的数模转换器、流率控制阀门构成。控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度，DCS通过控制网格精细化优化方法得出使目标产品在管式反应器末端浓度最大的流率控制策略，并转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门执行相应动作，流率传感器实时采集管式反应器流率并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握生产过程。本发明专利技术能够最大化管式反应器末端目标产品的浓度，实现挖潜增效。

【技术实现步骤摘要】
基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统
本专利技术涉及反应器控制领域，主要是基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统。能够对管式反应器的流率进行自动控制，以最大化目标产品的浓度，从而提高反应器的生产效率。
技术介绍
管式反应器属于平推流反应器，广泛应用于石油化工、精细化工等工业生产中，如丙烯聚合生产。对于管长固定的管式反应器，当原料配额比、浓度等物料参数确定以后，影响产品产量的关键因素是反应物流动速度，即流率。由于不同产品的生产工艺要求不同，所以按生产工艺要求对管式反应器进行自动流率控制具有重要意义。当前，国内管式反应器的控制方法中很少采用动态优化理论及对应方法，控制器中的参数往往凭已有经验设定，生产效率有待进一步提高。采用动态优化方法后的管式反应器的产品浓度可以进一步提高，实现挖潜增效。
技术实现思路
为了提高管式反应器目标产品的浓度，本专利技术提供了基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统，能够对管式反应器流率进行自动控制，以最大化管式反应器末端目标产品的浓度。其特征在于：由管式反应器11、流率传感器12、模数转换器13、现场总线网络14、DCS15、主控室流率及产品浓度显示16、流率控制阀门端的数模转换器17、流率控制阀门18构成。控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度，DCS通过控制网格精细化优化方法得出使目标产品在管式反应器末端浓度最大的流率控制策略，并转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门执行相应动作，流率传感器实时采集管式反应器流率并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度、需要最大化浓度的目标产品及流率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的控制网格精细化优化方法，获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略；步骤A3：DCS将计算获得的流率控制策略转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门根据收到的控制指令执行相应动作；步骤A4：管式反应器的流率传感器实时采集流率，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、控制网格精细化模块、ODE求解模块、梯度计算模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、精细化收敛性判断模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括进料浓度状态采集、目标产品采集、流率控制要求采集三个子模块，NLP问题求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。管式反应器的生产过程可以描述为：其中，t表示沿管长方向的变化；u(t)表示流率；x(t)表示管式反应器中沿管长方向变化的物料浓度；F(·)是根据物料平衡、能量平衡等建立的微分方程组。从该描述可以看出，管式反应器中目标产品的生产过程可以用数学上的一组微分方程组来表示。要使管式反应器中目标产品的浓度最大化，以x1(t)表示目标产品沿管长变化的浓度，则该问题的最终表达式为：其中，t0表示管式反应器的进料口处，tf表示管式反应器的末端，J表示需要最大化的目标函数。该问题本质上是动态优化问题。但是，传统方法对于这类问题的求解，具有效率低、精度差的缺陷，难以满足实际生产时高效率的要求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在DCS中集成了控制网格精细化优化方法，并以此为基础构建了一套动态优化控制系统。所述的系统的完整结构包括管式反应器21、流率传感器22、模数转换器23、现场总线网络24、DCS25、主控室流率及产品浓度显示26、流率控制阀门端的数模转换器27、流率控制阀门28。所述的系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度、需要最大化浓度的目标产品及流率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的控制网格精细化优化方法，获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略；步骤A3：DCS将计算获得的流率控制策略转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门根据收到的控制指令执行相应动作；步骤A4：管式反应器的流率传感器实时采集流率，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、控制网格精细化模块、ODE求解模块、梯度计算模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、精细化收敛性判断模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括进料浓度状态采集、目标产品采集、流率控制要求采集三个子模块，NLP问题求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。为获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略，所述的DCS执行的控制网格精细化优化方法，运行步骤如下：步骤B1：信息采集模块31获取工程师指定的反应物料的初始浓度、需要最大化浓度的目标产品以及流率控制要求；步骤B2：初始化模块32开始运行，采用分段常量参数化，设置管长的分段数N、对应的控制网格为流率控制策略的参数化向量的初始猜测值设定NLP问题的计算精度tol1和网格精细化的收敛精度tol2，将迭代次数k1和精细化次数k2置零；步骤B3：当k2＝0时，执行步骤B4；否则，通过控制网格精细化模块33对控制网格进行精细化处理，得到新的控制网格及其对应的参数化向量步骤B4：通过ODE求解模块34获取本次迭代的物料浓度和目标函数值步骤B5：通过梯度计算模块35获取本次迭代的梯度信息当k1＝0时跳过步骤B6直接执行步骤B7；步骤B6：NLP问题求解模块36运行，通过NLP收敛性判断模块进行收敛性判断，如果与上一次迭代的目标函数值之差的绝对值小于精度tol1，则判断收敛性满足，执行步骤B9；如果收敛性不满足，则继续执行步骤B7；步骤B7：用的值覆盖的值，并将迭代次数k1增加1；步骤B8：NLP问题求解模块36利用在步骤B4和B5中获得的目标函数值和梯度信息，通过计算寻优方向和寻优步长，获得比更优的新的流率控制策略该步骤执行完成后再次跳转至步骤B4；步骤B9：精细化收敛性判断模块37运行，记当k2＝0时，执行步骤B10，否则，判断与上一次精细化的目标函数值之差的绝对值是否小于精度tol2，如果是，则判断收敛性满足，并将本次迭代的流率控制策略转换流率控制阀门的开度指令输出，否则收敛性不满足，置精细化次数k2:＝k2+1，继续执行步骤B3，直至精细化收敛性判断模块满足为止。所述的控制网格精细化模块，采用如下步骤实现：步骤C1：由以下公式计算网格节点处的左斜率和右斜率(k＝1,…,N-1)：其中，uk表示流率控制策略的参数化向量u的第k个分量，tk表示uk和uk+1之间的网格节点。步骤C2：若网格节点tk处的左右斜率满足如下要求，则从网格中剔除该节点：其中，εe是一个较小的正实数。网格节点tk剔除后，uk和uk+1所对应的网本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统，能够对管式反应器流率进行自动控制，以最大化管式反应器末端目标产品的浓度。其特征在于：由管式反应器11、流率传感器12、模数转换器13、现场总线网络14、DCS15、主控室流率及产品浓度显示16、流率控制阀门端的数模转换器17、流率控制阀门18构成。控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度，DCS通过控制网格精细化优化方法得出使目标产品在管式反应器末端浓度最大的流率控制策略，并转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门执行相应动作，流率传感器实时采集管式反应器流率并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度、需要最大化浓度的目标产品及流率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的控制网格精细化优化方法，获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略；步骤A3：DCS将计算获得的流率控制策略转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门根据收到的控制指令执行相应动作；步骤A4：管式反应器的流率传感器实时采集流率，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、控制网格精细化模块、ODE求解模块、梯度计算模块、非线性规划(Non‑linear Programming，简称NLP)问题求解模块、精细化收敛性判断模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括进料浓度状态采集、目标产品采集、流率控制要求采集三个子模块，NLP问题求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。为获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略，所述的DCS执行的控制网格精细化优化方法，运行步骤如下：步骤B1：信息采集模块31获取工程师指定的反应物料的初始浓度、需要最大化浓度的目标产品以及流率控制要求；步骤B2：初始化模块32开始运行，采用分段常量参数化，设置管长的分段数N、对应的控制网格为...

【技术特征摘要】
1.基于控制网格精细化的管式反应器动态优化系统，能够对管式反应器流率进行自动控制，以最大化管式反应器末端目标产品的浓度。其特征在于：由管式反应器11、流率传感器12、模数转换器13、现场总线网络14、DCS15、主控室流率及产品浓度显示16、流率控制阀门端的数模转换器17、流率控制阀门18构成。控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度，DCS通过控制网格精细化优化方法得出使目标产品在管式反应器末端浓度最大的流率控制策略，并转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门执行相应动作，流率传感器实时采集管式反应器流率并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师指定管式反应器进料中各反应物料的浓度、需要最大化浓度的目标产品及流率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的控制网格精细化优化方法，获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略；步骤A3：DCS将计算获得的流率控制策略转换为流率控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流率控制阀门端的数模转换器，使流率控制阀门根据收到的控制指令执行相应动作；步骤A4：管式反应器的流率传感器实时采集流率，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、控制网格精细化模块、ODE求解模块、梯度计算模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、精细化收敛性判断模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括进料浓度状态采集、目标产品采集、流率控制要求采集三个子模块，NLP问题求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。为获得使管式反应器末端目标产品浓度最大的流率控制策略，所述的DCS执行的控制网格精细化优化方法，运行步骤如下：步骤B1：信息采集模块31获取工程师指定的反应物料的初始浓度、需要最大化浓度的目标产品以及流率控制要求；步骤B2：初始化模块32开始运行，采用分段常量参数化，设置管长的分段数N、对应的控制网格为流率控制策略的参数化向量的初始猜测值设定NLP问题的计算精度tol1和网格精细化的收敛精度tol2，将迭代次数k1和精细化次数k2置零；步骤B3：当k2＝0时，执行步骤B4；否则，通过控制网格精细化模块33对控制网格进行精细化处理，得到新的控制网格及其对应的参数化向量步骤B4：通过ODE求解模块34获取本次迭代的物料浓度和目标函数值步骤B5：通过梯度计算模块35获取本次迭代的梯度信息当k1＝0时跳过步骤B6直接执行步骤B7；步骤B6：NLP问题求解模块36运行，通过NLP收敛性判断模块进行收敛性判断，如果与上一次迭代的目标函数值之差的绝对值小于精度tol1，则判断收敛性满足，执行步骤B9；如果收敛性不满足，则继续执行步骤B7；步骤B7：用的值覆盖的值，并将迭代次数k1增加1；步骤B8：NLP问题求解模块36利用在步骤B4和B5中获得的目标函数值和梯度信息，通过计算寻优方向和寻优步长，获得比更优的新的流率控制策略该步骤执行完成后再次跳转至步骤B4；步骤B9：精细化收敛性判断模块37运行，记当k2＝0时，执行步骤B10，否则，判断与上一次精细化的目标函数值之差的绝对值是否小于精度tol2，如果是，则判断收敛性满足，并将本次迭代的流率控制策略转换流率控制阀门的开度指令输出，否则收敛性不满足，置精细化次数k2:＝k2+1，继续执行步骤B3，直至精细化收敛性判断模块满足为止。所述的控制网格精细化模块，采用如下步骤实现：步骤C1：由以下公式计算网格节点处的左斜率和右斜率其中，uk表示流率控制策略的参数化向量u的第k个分量，tk表示uk和uk+1之间的网格节点。步骤C2：若网格节点tk处的左右斜率满足如下要求，则从网格中剔除该节点：其中，εe是一个较小的正实数。网格节点tk剔除后，uk和uk+1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，李国栋，王雅琳，卢建刚，阳春华，孙优贤，桂卫华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33