科研動(dòng)態(tài)
基于逆系統(tǒng)的原油換熱網(wǎng)絡(luò)解耦設(shè)計(jì)和控制策略
中文題目：基于逆系統(tǒng)的原油換熱網(wǎng)絡(luò)解耦設(shè)計(jì)和控制策略
論文題目：Inverse system based decoupling design and control strategy for crude oil heat exchanger networks.
錄用期刊/會(huì)議：Applied Thermal Engineering(中科院大類(lèi) 2區(qū))
原文DOI：10.1016/j.applthermaleng.2024.124509
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135943112402177X
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024/9/30
作者列表：
1）孫 琳 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
2）萬(wàn)傳昌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 碩 23級(jí)
3）朱添宇 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 碩 20級(jí)
4）羅雄麟 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
摘要:
本文研究一種原油換熱網(wǎng)絡(luò)的解耦控制方法。首先，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，采用符號(hào)有向圖(SDG)模型來(lái)識(shí)別所需的控制變量。隨后，通過(guò)主成分分析方法及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建初始控制器，并進(jìn)行控制變量配對(duì)。由于所提出的系統(tǒng)為多輸入多輸出控制系統(tǒng)，針對(duì)多變量系統(tǒng)中的耦合問(wèn)題，本文提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)理論的解耦控制策略。通過(guò)可逆性推導(dǎo)證明逆系統(tǒng)的存在性。最后，該解耦控制系統(tǒng)應(yīng)用于原油蒸餾單元中的換熱網(wǎng)絡(luò)，與非解耦控制策略相比，原油出口溫度波動(dòng)值平均降低57.1%，且在不同操作條件下系統(tǒng)的平均絕對(duì)百分比誤差保持在0.02以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的解耦控制方法展現(xiàn)出優(yōu)異的解耦性能，有效提升系統(tǒng)的整體控制效果。
背景與動(dòng)機(jī):
換熱網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于操作條件和擾動(dòng)等影響，系統(tǒng)會(huì)偏離設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)行狀態(tài)，為保證換熱網(wǎng)絡(luò)能量回收的效率，需要對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，由于換熱網(wǎng)絡(luò)是多變量系統(tǒng)，各控制回路之間的耦合關(guān)系會(huì)影響系統(tǒng)的控制效果，因此需要進(jìn)行解耦控制方案設(shè)計(jì)，以提高換熱網(wǎng)絡(luò)的控制效果和經(jīng)濟(jì)效益。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
1. 基于SDG模型的關(guān)鍵變量識(shí)別
本文為確定換熱網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵變量，建立一個(gè)復(fù)雜原油換熱網(wǎng)絡(luò)的SDG模型。如圖所示，其中，節(jié)點(diǎn)表示換熱網(wǎng)絡(luò)中的流股溫度，有向邊表示換熱流股之間的關(guān)系。復(fù)雜原油換熱網(wǎng)絡(luò)的SDG模型：R可由以下四部分組成。
圖1 復(fù)雜原油換熱網(wǎng)絡(luò)SDG模型.
2. 可逆性證明
為利用逆系統(tǒng)解耦理論，必須先證明系統(tǒng)的可逆性。
首先，建立換熱網(wǎng)絡(luò)中耦合系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。
在此基礎(chǔ)上，通過(guò)交互式算法證明換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可逆性。
Step 1：計(jì)算出換熱網(wǎng)絡(luò)的輸出變量Y對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，直到它成為輸入變量U的顯函數(shù)。
Step 2：通過(guò)公式(2)計(jì)算系統(tǒng)的Jacobi矩陣。
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，換熱器的換熱面積和換熱系數(shù)均不為零，且定義為負(fù)值。故
，根據(jù)隱函數(shù)定理，換熱網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的存在性被證明。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
本文采用MAPE來(lái)評(píng)價(jià)控制策略的性能。圖2.1可以看出，所提出的解耦控制方案的MAPE較小，說(shuō)明解耦控制方案對(duì)溫度變化具有較好的跟蹤性能。從圖2.2可以看出，解耦控制方案下的原油溫度波動(dòng)值比常規(guī)控制方案下的原油溫度波動(dòng)值小，更接近設(shè)定值。與常規(guī)控制方案相比，解耦控制方案下溫度的波動(dòng)值分別降低57.5%、57.1%和56.8%。說(shuō)明所提出的解耦控制方案的有效性。
圖2.1 MAPE 圖2.2 原油溫度波動(dòng)范圍
圖2 仿真結(jié)果分析
結(jié)論:
針對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)在多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的耦合問(wèn)題，研究一種解耦控制策略。首先，構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的SDG模型，在此基礎(chǔ)上通過(guò)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、主成分分析和TOPSIS方法尋找系統(tǒng)的關(guān)鍵變量。然后從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)中的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的耦合機(jī)理模型，進(jìn)一步分析系統(tǒng)的耦合特性；并通過(guò)交互式算法證明換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可逆性。最后，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)靜態(tài)逆系統(tǒng)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)，將耦合系統(tǒng)解耦為獨(dú)立的偽線(xiàn)性系統(tǒng)。并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明所提方法的有效性。
通訊作者簡(jiǎn)介:
孫琳，講師，中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛み^(guò)程控制，過(guò)程系統(tǒng)工程。