一种基于DCS控制器的化工生产用温控系统的制作方法

本发明涉及工业自动化控制。更具体地，本发明涉及一种基于dcs控制器的化工生产用温控系统。

背景技术：

1、化工生产过程通常涉及放热、吸热、相变及物料传递等多种动态行为，温度作为核心工艺参数，其控制精度与稳定性直接关系到反应速率、转化效率、产品质量及装置运行安全。当前，现代化工企业普遍采用分布式控制系统（dcs）对反应釜、换热器、精馏塔等关键设备进行温度监测与调节。然而，化工被控对象本身具有非线性、强耦合、大滞后及时变性等固有特征，温度响应过程易受设备老化、原料组分波动、环境温度变化、生产负荷调整以及冷却介质状态波动等多重因素叠加影响，导致系统运行工况始终处于动态变化之中。

2、传统化工温控策略大多基于固定参数控制器或局部稳态模型进行设计，其有效调节范围局限于较窄的工作点附近。当工艺条件发生显著偏移或系统遭遇外部扰动时，此类策略常面临工况状态辨识滞后、调节动作响应迟缓以及超调量偏大等问题，严重时被控温度将持续逼近甚至超越工艺安全界限，从而影响生产连续性、增加能耗，甚至引发运行安全隐患。

3、为应对复杂工况下的控制需求，现有技术中引入了先进控制算法或数据驱动模型的改进方案，以期提升系统对非线性和扰动变化的适应能力。然而，该类算法通常涉及较大规模的在线优化计算，直接部署于对实时性要求严格的dcs底层回路时，控制指令输出容易产生延迟，难以兼顾响应速度与控制精度。此外，针对工况空间的划分与管理，现有方案多采用均匀网格划分或简单聚类方式，未能将不同区域的风险分布差异纳入划分依据，因而难以在易失控区域实现有针对性的精细化控制匹配。同时，对于强扰动作用下可能出现的控制失配情形，现有离线建模流程中亦缺乏有效的校验、定位与补偿修正机制，致使相关风险往往延迟至在线运行阶段方才暴露，难以及时规避由此引发的温度越限问题。

技术实现思路

1、为解决现有化工温控方案在线运行时控制指令响应滞后、工况适配能力不足、温度越界风险无法提前规避的问题，本发明提供了一种基于dcs控制器的化工生产用温控系统。

2、一种基于dcs控制器的化工生产用温控系统，包括：构建模块，用于基于包含被控温度、关联过程变量及操纵变量的历史运行数据构建状态特征向量，将所述状态特征向量构成的状态空间划分为多个工况区域，并结合所述历史运行数据中的操纵变量建立各工况区域与初始控制输出值的映射，生成初始目录矩阵；在迭代优化过程中，利用预置的预测模型，采用预设的扰动验证向量对当前目录矩阵进行仿真预测以生成被控温度预测轨迹，将导致所述被控温度预测轨迹超出安全边界的控制输出值标记为失配元素，基于所述失配元素聚集的密度极值点定位热点区域并对对应的工况区域增加局部切分界限以进行细化划分，并更新细化后工况区域对应的控制输出值，直至满足相邻两次迭代的全体工况控制输出值最大变化量小于设定阈值，或迭代次数达到预设上限的收敛条件，生成最终目录矩阵；生成模块，用于基于实时测量数据构建当前状态特征向量以确定所属的目标工况区域，查询所述最终目录矩阵以获取对应的目标控制输出值，生成用于dcs控制回路的控制指令。

3、本发明采用离线迭代优化与在线查表输出的两级架构，离线阶段完成状态空间划分、目录矩阵构建与多轮优化，将复杂计算前置完成；迭代收敛机制保障控制输出逐步趋近适配工况的最优状态，形成的标准化工况控制映射关系可直接适配dcs底层控制回路的严苛实时性运行要求。在线阶段仅需匹配工况并检索控制输出，有效降低实时计算负荷。同时针对失配高发区域细化工况划分，针对性优化控制策略，可提升多工况下的温控适配能力，提前消解扰动引发的温度越界风险，兼顾在线响应速度与运行安全性。

4、优选地，所述历史运行数据包括按时间序列采样的被控温度测量序列及关联过程变量测量序列；所述构建模块在构建状态特征向量时，具体用于：计算所述被控温度测量序列的自相关函数值，将自相关函数值衰减至微相关临界值时对应的跨度确定为时延跨度；提取当前时刻的被控温度测量数据、关联过程变量测量数据，以及所述时延跨度内的历史被控温度测量序列和历史关联过程变量测量序列，结合当前时刻的被控温度变化率分别进行无量纲归一化处理并按序拼接，生成时序扩展形式的所述状态特征向量。

5、通过计算被控温度序列的自相关函数确定有效时延跨度，截取对应时段的温度与关联变量数据，结合温度变化率做归一化拼接形成时序扩展特征向量。该方式基于数据自身相关性筛选有效历史信息，剔除无关联的长尾数据，使特征向量可精准表征温度变化趋势与关联过程状态，为后续工况划分提供准确的状态表征基础。

6、优选地，将所述状态特征向量构成的状态空间划分为多个工况区域，具体包括：提取所有状态特征向量在各变量维度上的极限值，建立包容所述状态特征向量的多维正交外框边界；按照设定的比例对所述多维正交外框边界在各维度方向上进行离散切割，生成超平面相交的网格单元；将切分获得的每一个独立正交超立方体网格单元定义为一个所述工况区域。

7、优选地，所述采用预设的扰动验证向量对当前目录矩阵进行仿真预测以标记失配元素，具体包括：将所述状态特征向量、其在当前目录矩阵中映射的控制输出值以及所述扰动验证向量共同输入所述预测模型，生成未来预测周期内的所述被控温度预测轨迹，所述预测模型具体为预先训练的预测网络；提取工艺安全上下限预警界限作为所述安全边界，比对所述被控温度预测轨迹与所述安全边界，当所述被控温度预测轨迹连续超出所述安全边界的周期步数大于设定阈值时，判定对应控制动作存在失控风险，并将触发该预测轨迹的控制输出值标记为所述失配元素。

8、通过将状态特征、控制输出与扰动验证向量共同输入预测网络生成温度预测轨迹，结合安全边界与连续超限步数判定失配元素。该方式将风险排查前置到离线优化环节，提前识别可能引发温度越界的控制策略并做标记，避免在线运行时出现温度超限问题，提升控制策略的安全可靠性。

9、优选地，所述预测网络采用长短期记忆网络架构，其隐藏层配置有遗忘门、输入门和输出门，用于基于前一时间步的隐藏状态、记忆细胞状态与包含所述扰动验证向量的当前输入特征，预测后续时间序列的温度变化趋势；其中，所述扰动验证向量包括模拟现场测量噪声的随机扰动分量和/或模拟工艺突变的阶跃扰动分量。

10、优选地，基于所述失配元素聚集的密度极值点定位热点区域并对对应的工况区域增加局部切分界限以进行细化划分，具体包括：提取各失配元素在状态空间中的具体坐标参数，利用核密度估计方法计算所述失配元素的空间分布密度；基于所述空间分布密度提取密度极大值点以筛选出失配元素集聚热点集合，并确定所述集聚热点集合所在的原有工况区域及其相邻工况区域作为热点区域；在所述热点区域内增加所述局部切分界限，生成局部细化后的多个子工况区域，并重新分配索引标号以更新所属工况映射，确保调整后的工况区域保持唯一归属关系。

11、优选地，所述构建模块在更新细化后工况区域对应的控制输出值时，具体包括：基于引发超出所述安全边界事件的累计发生次数评估风险程度，并据此计算失配惩罚因子；提取控制动作达到稳定状态期间被控温度的误差下降速度以及对应时段内关联过程变量的波动幅度，计算基础贡献度；根据所述失配惩罚因子和所述基础贡献度计算得到综合控制贡献度，并以所述综合控制贡献度为权重参数对该细化后工况区域内的历史控制输出值进行加权求和，生成更新后的控制输出值。

12、通过结合失配惩罚因子与包含响应速度、变量波动的基础贡献度计算综合控制贡献度，以此为权重加权更新控制输出值。该方式从安全风险、调节效率、关联变量稳定性多维度评估历史控制策略的优劣，通过加权融合优选出更适配对应工况的控制输出，提升控制策略的综合调节性能。

13、优选地，所述构建模块在生成更新后的控制输出值之后，还用于执行对剩余失配元素进行修复的操作：采用所述扰动验证向量对更新后的目录矩阵再次进行仿真预测，确定更新后仍存在的剩余失配元素；查询所述状态空间中距离所述剩余失配元素最近的预设数量个无失配标记的相邻工况区域，基于空间距离与控制稳定性计算复合插值权重；利用所述复合插值权重对所述相邻工况区域的控制输出值进行线性加权，得到候选修复输出值以覆盖替换所述剩余失配元素对应的控制输出值。

14、优选地，所述生成模块在查询所述最终目录矩阵时，若在所述目标工况区域内未检索到匹配的控制输出值，则查询与该目标工况区域空间距离最近的预设数量个有效工况区域；计算空间距离的倒数并进行归一化处理得到临时插值权重，利用所述临时插值权重对所述有效工况区域对应的控制输出值进行加权求和生成临时控制输出值，作为所述目标控制输出值。

15、优选地，所述生成模块在生成控制指令后，具体用于将获取的所述目标控制输出值转换为现场执行机构识别的控制信号格式，并通过所述dcs控制器的输出模块发送至现场的执行机构进行动作调节。

16、通过将目标控制输出值转换为执行机构可识别的信号格式，经dcs输出模块下发至现场执行机构完成调节动作。该环节完成控制策略到现场硬件动作的衔接转换，确保离线优化得到的控制输出能够准确作用于现场温控执行器件，实现从算法计算到实际温度调节的落地执行。

17、本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

18、本发明采用离线建模优化与在线实时控制相结合的架构，基于历史运行数据构建时序扩展状态特征并划分多工况区域，形成工况与控制输出相映射的目录矩阵；离线阶段通过扰动校验识别存在温度越限风险的失配元素，结合失配分布密度对高风险区域执行局部工况细化，再以综合控制贡献度加权更新控制输出并修复剩余失配项。该方案将核心计算前置至离线阶段完成，在线阶段仅需匹配工况查表输出指令，有效降低实时计算负荷；同时针对易失控区域提升管控精度，提前消解扰动引发的温度越界风险，兼顾调节响应速度与关联过程的运行平稳性，有效解决现有温控方案在线响应滞后、工况适配能力不足、扰动风险无法提前规避的问题，提升化工dcs温控系统的运行稳定性与控制质量。