102
Вестник ДВО РАН. 2016. № 4
УДК 681.5.015
А.Ю. ТОРГАШОВ, А.А.
ГОНЧАРОВ, С.А. САМОТЫЛОВА
Современные методы построения
систем усовершенствованного управления
технологическими
процессами
Рассматриваются современные методы построения систем усовершенствованного управления техноло
-
гическими процессами (СУУ ТП). Излагаются основные результаты исследований в области робастных си
-
стем управления на основе прогнозирующих моделей и виртуальных анализаторов как основных составляющих
СУУ ТП.
Ключевые слова: управление на основе прогнозирующей модели, виртуальные анализаторы, технологиче
-
ские процессы, нефтепереработка, нефтехимия.
Modern methods of evaluation of advanced process control systems
. A.Yu. TORGASHOV, A.A. GONCHAROV,
S.A. SAMOTYLOVA (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).
The modern methods of evaluation of advanced process control (APC) systems are considered. The main research
results in the area of robust model predictive control and virtual analyzers (as main components of the APC systems)
are reported.
Key words: model predictive control, virtual analyzers, technological processes, oil refining, petrochemistry.
Задача перевода российской экономики на инновационный путь развития тре-
бует усовершенствования систем управления производственными процессами. Это ка-
сается в том числе энергоемких производственных объектов в нефтеперерабатывающей,
нефтехимической и химической промышленности. По
статистике, на массообменные
технологические процессы (МТП), протекающие в ректификационных и абсорбционных
колоннах, приходится около 50–60 % общего количества производимой энергии нефтехи-
мического предприятия. Одним из путей сокращения затрат и соответственно увеличения
прибыли производственных компаний является внедрение систем усовершенствованного
управления технологическими процессами (СУУ ТП).
СУУ ТП представляет собой технологию многопараметрического управления на осно-
ве прогнозирующей модели (ПМ) [1]. Она реализуется в виде специализированного ПО,
которое взаимодействует с АСУ технологической установки, специальным образом кон-
фигурируется и настраивается под требования конкретного ТП (см. рисунок).
Алгоритм усовершенствованного управления через равные промежутки времени об-
ращается к модели, на ее основе прогнозирует динамику технологического процесса с
учетом поступившей от измерительных приборов информации о его состоянии и форми-
рует оптимальные управляющие воздействия по заданным критериям (например, энерго-
затратам). Основной проблемой синтеза СУУ ТП с использованием классических методов
теории оптимального управления является высокая размерность моделей динамики МТП.
* ТОРГАШОВ Андрей Юрьевич –
доктор технических наук, заведующий лабораторией, ГОНЧАРОВ Антон
Александрович – младший научный сотрудник, САМОТЫЛОВА Светлана Александровна – младший научный
сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток).
* E-mail: torgashov@iacp.dvo.ru
103
Например, для простой ректификационной колонны установки газоразделения нефтепе-
рерабатывающего завода количество дифференциальных уравнений составляет от 800 до
1200. Кроме того, данные о структуре и параметрах фазового равновесия могут быть не-
точными и изменяться со временем. Это приводит к необходимости синтеза систем управ-
ления с помощью методов теории робастного управления.
В большинстве случаев рассматривается два класса ПМ. К первому относятся переда-
точные матрицы и модели в пространстве состояний, ко второму – импульсные переход-
ные (весовые) функции, которые в дискретной форме на конечном временном интервале
имеют усеченный вид. Методы синтеза регуляторов с моделями первого типа наиболее
развиты и удобны для исследования, особенно робастной устойчивости системы. Однако
они обладают существенными недостатками, сдерживающими их применение в реальных
условиях: необходима непрерывная оценка вектора состояния
модели объекта с целью
осуществления прогноза, что, как правило, требует знания статистических характеристик
сигналов для совместного применения алгоритмов оценивания вектора состояния. При
синтезе робастного регулятора на основе ПМ, например, используя H
µ
-оптимизацию, при-
бегают к аппроксимации элемента запаздывания рядом Паде, что приводит к неприемле-
мым для практики результатам. ПМ, принадлежащие ко второму классу, довольно просто
учитывают последействие (запаздывание) объекта: соответствующие элементы вектора
весовой характеристики будут равны нулю. При этом не требуется оценивания вектора
состояния объекта. Однако условия робастной устойчивости со вторым типом ПМ имеют
следующие недостатки: нет учета влияния горизонта управления на робастную устойчи-
вость системы; не рассмотрены условия робастной устойчивости для астатических объ-
ектов с запаздыванием, так как в этом случае для построения будущей оптимальной по-
следовательности управляющих воздействий требуется обращение бесконечномерных
матриц.
Особенностью технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии является
наличие нестационарного запаздывания различного типа. Построение систем управления
с идентификатором позволяет существенно улучшить стабилизацию технологического
Блок-схема взаимодействия
СУУ ТП и АСУ ТП
104
объекта (ТО) с неизвестными нестационарными параметрами. Для большинства ТО вари-
ации запаздывания происходят в весовой функции, при этом динамика выхода существен-
но отличается от систем с запаздыванием по входу, выходу и состоянию. Если для послед-
них уже существуют некоторые алгоритмы идентификации переменного запаздывания, то
для систем с запаздыванием в весовой функции ПМ методы идентификации практически
не разработаны. В связи с этим требуется построение алгоритмов идентификации ПМ
с учетом того, что структура модели возмущения запаздывания неизвестна, а доступны
лишь данные о границах интервала изменения запаздывания. В статье рассматриваются
результаты исследования в области синтеза СУУ ТП, учитывающие следующие особен-
ности функционирования МТП:
– структура и параметры моделей фазового равновесия МТП в производственных ус-
ловиях могут быть неизвестны;
– воздействуют неизмеряемые возмущения по составу сырья;
– запаздывание и гидродинамические режимы
объекта изменяются со временем;
– взаимодействие между контурами регулирования температурных профилей в аппара-
тах колонного типа имеет нелинейный характер.
