过程的非线性模型预测性控制的制作方法

过程的非线性模型预测性控制


背景技术：

1.环氧烷的生产可经由一种化学系统来完成，所述化学系统利用在存在氧的情况下使用银基催化剂对烯烃进行的催化环氧化。用于此类过程中的常规银基催化剂通常提供相对较低效率或“选择性”(例如较低百分比的经反应的亚烷基转化为所需环氧烷)。在一些过程中，当在乙烯的环氧化中使用常规催化剂时，被表达为经转化乙烯的分率的朝向环氧乙烷的理论上最大效率不会达到高于6/7或85.7％限度的值。
2.某些此类催化剂，例如所谓的“高选择性”或“高效率”催化剂，倾向于展现随气相促进剂浓度而变的相对陡效率曲线，这是因为所述浓度远离提供高效率的值(例如，当远离最大化促进剂浓度的效率而操作时，相对于气相促进剂浓度的改变的效率的改变为至少0.2％/ppmv)。因此，促进剂浓度的小的改变可引起显著的效率改变，这是因为效率可随时间推移而在气相促进剂的某些浓度(或进料速率)下展现明显的最大值，例如最佳值。化学过程的明显的最大值是归因于多相流动和化学反应，所述多相流动和化学反应的特征为过程非线性以及归因于质量输送和化学反应速率的时间延迟。
3.因为化学过程中的许多变量与其它变量具有非线性关系，例如变量的环间相互作用，所以需要开发过程模型以有效地表征这些多重相互依存的可变关系，所述可变关系可为非线性的。在各种实施方案中，已针对过程控制领域中的应用提出了线性模型预测性控制(lmpc)，以及其它方法。然而，此类方法对于具有稳态增益反转的过程持续缺乏稳定性。


技术实现要素：

4.在一些实施例中，一种用于展现稳态增益反转的操作的化学系统包含：反应器，其被配置成接收进料流并产生出口流以形成过程；以及控制装置，其被配置成控制过程。所述控制装置接收指示操作参数的输入并接收输出变量，且响应于所述输入和所述输出变量而提供被配置成控制或优化所述过程的稳态操控输入。所述控制装置包含：输入干扰模型，其是基于使用所述稳态操控输入作为定制输出测量以确定未测量的干扰；状态估计器，其被配置成利用所述定制输出测量以估计进入所述过程的所述未测量的干扰并由此基于由所述模型对所述过程的表征而预测所述过程的改变；非线性稳态目标计算器，其被配置成基于如由所述模型所计算的所述过程的所述表征而确定用于所述过程的所述稳态操控输入；以及调节器，其被配置成基于所述稳态操控输入和相关联输出变量而提供用于调节一个或多个输入的信号。
5.在一些实施例中，一种用于经由控制装置控制化学系统的方法包含接收指示过程的操作参数的输入并接收稳态输出变量。所述方法还包含基于使用最佳操控稳态输入作为定制输出测量以在存在经测量干扰和未测量的干扰两者的情况下确定优化操控输入来实施输入干扰模型。另外，所述方法包含估计所述过程的状态以基于由所述模型对所述过程的表征而预测所述过程。所述方法进一步包含基于通过建模对所述过程的所述表征和所述化学系统的一个或多个稳态输出变量的估计而确定用于所述过程的定向操控输入。最后，所述方法包含基于所述定向操控输入而调节所述过程。
附图说明
6.现在参考附图，详细地展示说明性实施例。尽管附图表示一些实施例，但附图未必按比例绘制，且某些特征可能被夸示、移除或部分地分割以更佳地示出和阐释本发明。此外，本文中所阐述的实施例是示例性的且并不意欲为详尽的或以其它方式将权利要求书限制或限定为附图中所展示和以下具体实施方式中所公开的精确形式和配置。
7.图1为根据本公开的实施例的描绘用于通过对烯烃进行环氧化来制造环氧烷的过程的实施例的过程流程图。
8.图2为根据本公开的实施例的用于具有稳态增益反转的过程的非线性模型预测性控制(nmpc)装置的示意图。
9.图3为根据本公开的实施例的描绘基于操控输入的输出的稳态变化的图形。
10.图4为根据本公开的实施例的描绘稳态环氧乙烷(eo)选择性的图形。
11.图5为根据本公开的实施例的描绘基于基线数据的eo选择性的图形。
12.图6为根据本公开的实施例的描绘基于基线数据随时间推移的氯化有效性参数z和eo生产速率的一对图形。
13.图7为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在高生产速率下的eo选择性的图形。
14.图8为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在高生产速率下随时间推移的氯化有效性参数z和eo生产速率的一对图形的描绘图形。
15.图9为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在增加的生产速率下随时间推移的氯化有效性参数z和eo生产速率的一对图形的描绘图形。
16.图10为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在增加的生产速率下的eo选择性的图形。
17.图11为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在未测量的干扰下随时间推移的氯化有效性参数z和eo生产速率的一对图形的描绘图形。
18.图12为根据本公开的实施例的描绘基于nmpc装置的使用率在未测量的干扰下的eo选择性的图形。
19.定义
20.本文中对元素周期表的全部参考应是指由crc出版公司(crc press,inc.)2003年出版并拥有版权的元素周期表。此外，对一个或多个族的任何参考应为使用iupac系统给族编号的在此元素周期表中反映的一个或多个族。除非有相反陈述、从上下文暗示或在所属领域中惯用，否则所有份数和百分比均按重量计。出于美国专利实务的目的，本文中所引用的任何专利、专利申请或出版物的内容均以全文引用的方式并入(或其等效us版本如此以引用的方式并入)，尤其在所属领域中的合成技术、定义(在与本文中提供的任何定义一致的程度上)和常识的公开方面。
21.出于美国专利实务的目的，任何所引用的专利、专利申请或出版物的内容均以全文引用的方式并入(或其等效us版本如此以引用的方式并入)，尤其在所属领域中的定义(在与本公开中特定提供的任何定义一致的程度上)和常识的公开方面。
22.本文中所公开的数值范围包含从且包含下限值和上限值的所有值。对于含有确切值的范围(例如1或2或3到5或6或7的范围)，包含任何两个确切值之间的任何子范围(例如
以上范围1到7包含子范围1到2；2到6；5到7；3到7；5到6；等)。
23.除非相反陈述、从上下文暗示或在所属领域中惯用，否则所有份数和百分比均按重量计，且所有测试方法均为截至本公开申请日为止的现行方法。
24.如本文中所使用的术语“组合物”是指包括组合物的材料以及由所述组合物的材料形成的反应产物和分解产物的混合物。
25.如本文中所使用的术语“环氧烷”具有以下结构a：
[0026][0027]
其中，r1和r2个别地选自由氢和具有1到6个碳原子的烷基组成的群组。举例来说，环氧烷可为环氧丙烷(r1═
ch3，r2═
h)或环氧乙烷(r1═
r2═
h)。
[0028]
术语“包括”、“包含”、“具有”和其衍生词并不意欲排除任何额外组件、步骤或过程的存在，不论其是否具体地公开。为避免任何疑问，除非相反陈述，否则通过使用术语“包括”所要求的所有组合物均可包含任何额外添加剂、佐剂或化合物，无论以聚合方式或以其它方式。相比之下，术语“基本上由
……
组成”从任何随后列举的范围中排除任何其它组件、步骤或过程，除了对可操作性来说并非必不可少的那些组件、步骤或过程除外。术语“由
……
组成”排除未具体叙述或列举的任何组件、步骤或过程。
[0029]
术语“可操作地连接”或“可操作地联接”包含组合地达成所需功能性的任何两个组件。可操作地联接的一些实例包含但不限于物理上可制造的组件、物理上相互作用的组件、无线地相互作用的组件、无线地相互作用的组件、逻辑上相互作用的组件和/或逻辑上相互作用的组件。
[0030]“控制装置”包含适合于控制本文中所描述的各种组件的软件和/或处理电路系统的任何组合，所述软件和/或处理电路系统包含但不限于处理器、微控制器、专用集成电路、可编程门阵列和任何其它数字和/或模拟组件，以及前述各者连同用于收发控制信号、驱动信号、功率信号、传感器信号等的输入和输出的组合。所有此类计算装置和环境均意欲落入如本文中所使用的术语“控制装置”、“控制器”或“处理器”的含义内，除非明确地提供不同含义或不同含义以其它方式从上下文得知。
[0031]“环氧乙烷”为具有式c2h4o和以下结构b的环醚(环氧化物)。
[0032]
具体实施方式
[0033]
本公开提供一种化学系统，其实施用适当干扰模型强化的非线性模型预测性控制(nmpc)装置，所述干扰模型能够在不制定无约束控制律的情况下大体上解决非线性受约束
优化问题。本文中所提供的控制装置可确保用于在最佳点(例如“峰值”)处或在所需或最佳范围内控制过程的足够的稳健性，其中稳态增益过程改变符号。另外，本文中所提供的控制装置操控输入以大体上将过程维持于峰值附近，其中稳态增益反转是在存在干扰的情况下发生，而非远离所述点而操作以防止不稳定性。
[0034]
在存在经测量干扰的情况下在最佳点处用稳态增益反转来控制过程可引起稳态增益的频繁的符号改变，并需要适当地估计干扰以采取恰当的控制动作，所述控制动作最大化控制输出。归因于显著的过程干扰和潜在的建模误差，用增益反转来控制实际工业过程的应用中可能会出现问题，由此增加了稳健的解决方案的重要性。因此，本文中所提供的化学系统可被配置成经由使用经观测的优化的操控稳态输入作为偶尔可用的定制输出测量来最大化输出变量，所述输出变量具有相对于操控输入的稳态增益反转。化学系统还实施输入干扰模型，其利用不频繁的定制输出测量以最大化具有稳态增益反转的输出变量。
[0035]
现在参考图1，能够制造环氧烷的化学系统10包含根据本公开的实施例的反应器12。包含例如乙烷的饱和烃作为杂质的烯烃进料流14与氧进料16和气相促进剂进料18组合以靠近反应器入口界定反应器进料流20。反应器产物流22包含环氧烷产物加副产物(例如co2、h2o和少量饱和烃)、未反应的烯烃、氧和惰性物质。在一些商用过程中，环氧烷产物连同某一水产物可在环氧烷回收单元中从反应器产物流22移除。需要时，还可提供再循环流24以使未反应的烯烃和氧再循环。然而，如果实施再循环流24，则可提供排放管线以缩减例如氩和乙烷的杂质和/或副产物的累积。另外，在一些实施例中，设备10还包含二氧化碳移除步骤，其是在再循环流24与新鲜进料流20进入反应器12之前组合之处上游执行。
[0036]
在一实施例中，由进料流14提供的烯烃为乙烯。另外或替代地，在一实施例中，烯烃进料流14可包含芳族烯烃、二烯烃(无论是否共轭)、c
2-c
12
α-烯烃，和/或c
2-c8α-烯烃。氧进料16可包含大致上纯氧或空气。如果使用纯氧，则还可包含压载气体或稀释剂26，例如氮或甲烷，以使氧浓度维持为低于由可燃性考虑因素允许的最大水平。反应器进料流20中的氧浓度在广泛范围内变化，且实际上，可燃性为氧浓度的限制因素。
[0037]
当存在时，反应器进料流20中的二氧化碳浓度可对用于反应器12中的催化剂的效率、活性和/或稳定性产生不利的影响。二氧化碳是作为反应副产物产生并与其它入口反应气体一起作为杂质引入。在各种商用乙烯环氧化过程中，二氧化碳的至少部分被连续地移除以便在循环中将其浓度控制为可接受的水平。
[0038]
气相促进剂为增强用于生产所需环氧烷的化学系统10的效率和/或活性的化合物。在一实施例中，气相促进剂包含有机氯化物。举例来说，气相促进剂至少为选自由氯甲烷、氯乙烷、二氯化乙烯、氯乙烯和其混合物组成的群组的气相促进剂。在各种实施例中，氯乙烷和二氯化乙烯可为气相促进剂进料流18。使用氯烃气相促进剂作为一实例，据信，促进剂增强用于所需环氧烷的化学系统10的性能(例如效率和/或活性)的能力取决于气相促进剂例如通过将例如原子氯或氯离子的特定氯物种沉积于催化剂上而氯化反应器12中的催化剂的表面的程度。然而，据信，缺乏氯原子的烃从催化剂汽提氯化物，且因此有损于由气相促进剂提供的总性能增强。据信，例如乙烷或丙烷的石蜡族化合物对于从催化剂汽提氯化物尤其有效。然而，据信，例如乙烯和丙烯的烯烃还用于从催化剂汽提氯化物。这些烃中的一些还可作为杂质引入于乙烯进料流12中，或可出于其它原因(例如使用再循环流24)而存在。在一些实施例中，当存在时，反应器进料流20中的乙烷浓度为0摩尔百分数到约2摩尔
百分数。鉴于反应器进料流20中的气相促进剂和脱氯烃的竞争效应，方便的是定义“总催化剂氯化有效性值”，其表示氯化催化剂时的气相物种的净效应。在有机氯化物气相促进剂的状况下，总催化剂氯化有效性可被定义为无量纲量z并由下式表示：
[0039][0040]
其中氯乙烷当量为氯乙烷以ppmv(其等效于ppm摩尔)为单位的浓度，所述浓度在进料流20中的有机氯化物的浓度下提供存在于反应器进料流20中的有机氯化物的大致上相同催化剂氯化有效性；且乙烷当量为乙烷以摩尔百分数为单位的浓度，所述浓度在反应器进料流20中的不含氯化物的烃的浓度下提供反应器进料流20中的不含氯化物的烃的大致上相同催化剂脱氯化有效性。
[0041]
尽管气态含氯促进剂可作为单一物种被供应，但在与催化剂接触后，就可形成其它物种，从而产生气相混合物。因此，如果反应气体例如经由再循环流24再循环，则将在反应器12的入口中发现物种的混合物。具体地说，即使仅氯乙烷或二氯化乙烯被供应到新鲜进料流20，入口处的经再循环反应气体也可含有氯乙烷、氯乙烯、二氯化乙烯和或氯甲烷。
[0042]
入口气体(亚烷基、氧和压载气体)与气相促进剂混合的次序可变化，且混合可同时或依序进行。出于方便原因、安全性原因和/或任何其它原因而选择过程的气态组分的混合次序。举例来说，出于安全性原因而在压载气体之后添加氧。然而，在一些实施例中，气相促进剂应存在于反应器进料流20中，这是因为其被引入到反应器12中的固体催化剂。
[0043]
用于反应器12的合适反应器的非限制性实例包含固定床管状反应器、连续搅拌槽反应器(cstr)和流化床反应器。所选择的特定操作模式可由过程经济学规定。环氧化反应是放热的。因此，提供冷却剂系统26(例如具有例如热传送流体或沸水的冷却剂流体的冷却水套或液压回路)以调节反应器12的温度。选择反应温度以提供环氧乙烷的所需产率。在一实施例中，环氧化反应是在至少200℃或至少210℃或至少220℃的温度下进行。在各种实施例中，实施不超过300℃的反应温度或不超过290℃的反应温度。反应器压力是基于所需质量速度和生产率而选择并在5atm(506kpa)到30atm(3.0mpa)的范围内。气体每小时空间速度(ghsv)大于3000hr-1
、大于4,000hr-1
或大于5,000hr-1
。
[0044]
用于生产例如环氧乙烷或环氧丙烷的环氧烷的催化剂可通过以下方式来制备：用一种或多种银化合物的溶液浸渍合适的载体材料，随后进行处理以缩减银并贯穿载体的孔隙沉积银。通常，用催化量的银浸渍载体，所述催化量为能够催化用氧或含氧气体将亚烷基氧化为对应环氧烷的任何银量。
[0045]
在一实施例中，多种促进剂，即，当存在时结合例如银的特定催化材料有益于催化剂性能的一个或多个方面或以其它方式用来促进催化剂制造例如环氧乙烷或环氧丙烷的所需产物的能力的材料。此类促进剂在催化剂中的存在已被展示为有助于对催化剂性能的一个或多个有益效应，例如增强所需产物的生产速率或量，降低达成合适的反应速率所需的温度，降低不当反应的速率或量等。竞争反应在反应器12中同时进行，且确定整个过程的有效性时的至关重要的因素为对这些竞争反应的控制措施。被称为所需反应的促进剂的材料可为例如燃烧反应的另一反应的抑制剂。重要的是，促进剂对总体反应的影响对于例如环氧乙烷的所需产物的高效生产是有利的。存在于催化剂中的一种或多种促进剂的浓度取决于对催化剂性能的所需影响、特定催化剂的其它组分、载体的物理和化学特性以及环氧
化反应条件而在广泛范围内变化。
[0046]
存在至少两种类型的促进剂—固体促进剂和气态促进剂。固体和/或气态促进剂是以促进量来提供。催化剂的某一组分的“促进量”是指所述组分有效地用以相较于不含所述组分的催化剂向所述催化剂提供一种或多种催化性质的改进的量。催化性质的实例包含可操作性(抗失控性)、效率、活性、转化率、稳定性和产率。所属领域的技术人员应理解，一种或多种个别催化性质可因“促进量”而增强，而其它催化性质可能会增强或可能不会增强或甚至可能会降低。应进一步理解，不同催化性质可在不同操作条件下得到增强。举例来说，在一组操作条件下效率增强的催化剂可在展示出活性改进而非效率改进的一组不同条件下操作，且环氧乙烷设备的操作者将有意地改变操作条件以便甚至以其它催化性质为代价而利用某些催化性质，以便通过考量原料成本、能量成本、副产物移除成本和其类似者而使利益最大化。
[0047]
由促进剂提供的促进效应可受数个变量影响，所述变量是例如反应条件、催化剂制备技术、支撑件的表面区域和孔隙结构以及表面化学性质、催化剂的银和共促进剂含量、其它阳离子的存在，以及存在于催化剂上的阴离子。其它活化剂、稳定剂、促进剂、增强剂或其它催化剂促进剂的存在也可影响促进效应。
[0048]
环氧化过程的性能是基于选择性、催化剂的活性和/或操作的稳定性在过程期间加以评估。选择性是产生所需烯烃氧化物的经转化烯烃的摩尔分率。在一些状况下，在环氧乙烷生产中，化学系统10的操作者将认为，在不存在约束的情况下，为了最大化选择性，其将必须利用较高乙烯、较高氧和较低co2含量。然而，归因于一些过程的稳态增益反转特性，如果催化剂在高温下操作且温度降低，则将观测到选择性增益。但随着温度进一步降低，选择性增益的程度变得较小，且接着最终达到选择性最大值。随着温度进一步降低，选择性也降低。
[0049]
在一实施例中，本文中所描述的化学系统10可用于开环或闭环过程中，所述过程在设备10的操作期间将过程维持于最佳点处或附近。在两个过程中，控制装置28用于调节一个或多个输入。举例来说，提供控制装置28，其从与反应器出口流22可操作地联接的流出物浓度分析器30、与进料流20可操作地联接的反应器进料浓度分析器32、烯烃进料流14下游的烯烃进料流量计34、气相促进剂进料流18下游的气相促进剂进料流量计36和与冷却剂系统26可操作地联接的流量计38接收输入。控制装置28实施于计算机化控制系统中且还包含中央处理单元和存储器以及最终用于调节控制阀的输出，所述控制阀用于调节输入。基于经接收输入，控制装置28确定反应器流22中的反应器流出物中的环氧烷的摩尔百分比和用于反应器进料流20的气相促进剂有效性参数(例如z)。
[0050]
对于环氧乙烷生产，气相促进剂为一种或多种氯化烃。因此，控制装置28还接收用于例如氯乙烷、氯乙烯和二氯化乙烯的氯化烃的浓度数据，以及来自分析器32中的反应器进料流20的乙烯、乙烷和其它非氯化烃的浓度。浓度数据接着用于计算总氯化有效性(例如z)。控制装置28还接收用于反应器出口流22中的反应器流出物中的环氧烷的摩尔百分数的用户输入设定点和/或环氧烷的产率。基于用户输入设定点和来自分析器30的数据，控制装置28确定反应器出口流22中的环氧烷的浓度和/或环氧烷的产率是否在用户输入设定点的预定范围内。当环氧烷浓度和/或产率在预定范围外部时，控制装置28调节气相促进剂的反应温度或流动速率(以改变气相促进剂有效性参数的值)和/或任何其它可变输入。
[0051]
提供控制装置28以调节反应器进料流20中的烯烃浓度。在所示出的实施例中，控制装置28从分析器32接收指示反应器进料流20中的烯烃量的组成数据。具有用于反应器进料流20中的烯烃浓度的用户输入设定点的控制装置28从流量计34接收流动数据并操控与烯烃进料流12以流体方式联接的控制阀以控制其流动。控制装置28可为模拟或数字的并实施于计算机化分布式控制系统中。所示出的控制方案仅仅是示例性的且不意欲限制本公开的范围。
[0052]
参考图2，为了达成用于化学系统的稳定性和最大收益性的目标，控制装置28具有各种模块，所述模块包含化学系统10的模型42、被配置成模拟化学系统10的操作以预测化学系统10的操作的状态估计器44、操作以确定用于操作化学系统10的优化操控输入的稳态计算器46，和/或被配置成基于优化操控输入而调节化学系统10的调节器48。本说明书中所描述的“模型”、“状态估计器”、“计算器”和/或“调节器”已被标记为模块以便更特定地强调其实施独立性。举例来说，模块可被实施为硬件电路，所述硬件电路包括定制vlsi电路或门阵列、现成的半导体，例如逻辑芯片、晶体管或其它离散组件。模块还可以可编程硬件装置来实施，所述可编程硬件装置是例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或其类似者。
[0053]
模块还可实施于软件中以供各种类型的处理器执行。可执行码的经识别模块可例如包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，所述物理或逻辑块可例如被组织为对象、过程或函数。然而，经识别模块的可执行码无需物理上定位在一起，而是可包括存储于不同位置中的全异指令，其在逻辑上接合在一起时包括模块并达成模块的所陈述目的。
[0054]
可执行码的模块可为单一指令或许多指令，且甚至可遍及若干不同码段、在不同程序当中和跨越若干存储器装置分布。相似地，本文中可在模块内识别和说明操作数据，且其可以合适形式实施并组织于合适类型的数据结构内。操作数据可被收集为单一数据集，或可遍及不同位置分布，包含遍及不同存储装置分布，且可至少部分地仅作为电子信号存在于系统或网络上。
[0055]
在一实施例中，化学系统10的控制装置28被配置成控制化学系统的操作，其中所述控制装置接收指示化学系统的操作参数的输入并接收输出变量，且响应于所述输入和所述输出变量而将操控输入提供到化学系统以用于控制和优化化学系统的操作。在各种实施例中，此控制装置28被配置为nmpc装置28，且向能够实施可控制化学过程的设备10的操控输入u(或输入变量)提供值。在一实施例中，外部未测量的输入干扰d和/或经测量干扰m被提供到所述设备。响应于接收到操控输入u、输入干扰d和/或经测量干扰m，设备10产生输出y，其包含各种输出干扰p1、p2。输出y被馈送到状态估计器44。
[0056]
模型42可由至少一个输入与至少一个输出之间的非线性和/或线性方程式定义并与设备10并行地操作。非线性模型42为设备10的各种过程的数学模型，所述过程在每一者被供应有相同输入u时提供相似于设备10的预测性输出在各种实施例中，模型42包含稳态模型、动态模型、自适应模型、模糊模型和/或神经网络模型中的至少一者。
[0057]
在一实施例中，模型42表征化学系统10中的输出对由所述化学系统接收的输入的动态和稳态响应。在各种实施例中，非线性模型42接收操控输入u和经估计输入干扰作为响应，模型42产生经预测输出同时对输出干扰估计进行因式分解。因此，化学
系统10的模型42可被设计成准确地描绘化学系统10和其控制结构的运行。为此目的，模型42解决非线性问题，且因此可归因于每一输出计算所需的大量计算而在计算上要求高。但，实际上，模型42应在考虑化学系统10的运行成本时快速地获得经估计输出。因此，控制目标中的一者可包含操作成本的优化(即，最小化)，而非仅仅优化操作。
[0058]
在一实施例中，连同用于最大化展现相对于操控输入u的稳态增益反转的输出变量y1的一阶动力学一起使用输入干扰模型，所述输入干扰模型是基于使用可为最佳稳态操控输出的稳态操控输入作为定制输出测量，所述定制输出测量偶尔可用以在存在经测量干扰和未测量的干扰的情况下确定优化操控输入的位置。稳态非线性模型方程式可被表达为：
[0059][0060][0061]
其中u
ss
为稳态操控输入，m为经测量干扰，且为稳态控制输出。具有稳态增益反转的输出变量被标示为y1，连同偶尔变成有效约束的各种操作限度y2。稳态非线性模型42具有相对于操控输入u
ss
的用于输出的二次变化，其具有相对于最大化的峰值处的u
ss
的用于的稳态增益的符号改变，如图3中所示出。在其它实施例中，任何其它数学函数可用于确定化学过程或操作的经界定目标范围。具有不同稳态增益和时间常数的一阶动力学可用于界定输入u和m对输出y1和y2的影响。因此，在一实施例中，稳态非线性模型42(方程式(2)和(3))连同一阶动力学可构成过程模型42。
[0062]
在并入有nmpc的实施例中，最佳控制不存在保证，因此干扰模型可表示过程干扰连同设备模型失配且还考量控制目标。对于具有稳态增益反转的控制目标为在峰值处或在峰值的所需范围内最大化输出变量y1的过程，在存在干扰和潜在的建模误差的情况下稳健地定位操控输入的对应值可为重要的。在一实施例中，控制装置28被配置成估计未测量的干扰，所述未测量的干扰使发生稳态增益反转的最佳峰值的位置移位。在各种实施例中，未测量的干扰可包含反应器的催化老化或相关联性能过高/不足。用于输出变量y1的输出干扰模型不可能给出取决于输入或状态干扰的最佳稳态操控输入u的位置。用于操控输入u的使用输出变量y1的误差的输入干扰模型还可需要知道所述过程是在稳态变化曲线的正增益部分还是负增益部分上，所述稳态变化曲线在图3中分别由区50和区52表示并由峰值54分离。正增益或负增益的识别在峰值54附近存在问题，以用于用有噪声数据最大化输出变量y1，这在各种工业过程中是常见的。控制输出被最大化的最佳稳态操控输入的位置取决于经测量干扰m和未测量的干扰，使得
[0063][0064]
在处(5)。
[0065]
最佳稳态操控输入被引入作为定制输出测量y3，其在稳态过程模型42中偶尔可用(方程式(2)和(3))。经强化稳态非线性模型42方程式可被表达为：
[0066]
[0067][0068][0069]
在稳定条件下，用于的预期最佳值可在可观测到控制装置28安定时间ts和用于最佳稳态操控输入或输出测量y3的新值之后出现。用于变得偶尔有效的操作限度y2的模型42是线性的并独立于最佳稳态操控输入的值。u在用于m的稳定条件下朝向最佳稳态操控输入的在控制装置28的安定时间ts内的移动，如图4中大体上所示出，可引起输出变量y1的增加，除非最佳稳态操控输入的位置已改变并需要由输入干扰模型42校正。当在用于经测量干扰m的稳定条件下观测到用于预期最佳值的新峰值54时，如图3中大体上所示出，输入干扰模型用于考量最佳稳态操控输入的实际位置。各种算法或模型可用于在针对数据在控制装置28的安定时间ts内符合所有以下准则之后基于用于的新峰值54的观测而更新最佳稳态操控输入或稳态输出测量y3的位置失配：
[0070]
1.操控输入u可用于最大化主要输出y1，而非受操作限度y2约束；
[0071]
2.根据经界定统计准则，经测量干扰m是稳定的；
[0072]
3.操控输入u是稳定的或朝向最佳稳态操控输入移动；且
[0073]
4.针对最佳稳态操控输入观测到新最佳位置，这是因为输出变量y1在控制装置的安定时间ts之后减小。
[0074]
通过在控制装置28的安定时间内对照适当限度检查经测量干扰m的标准偏差而针对经测量干扰m界定稳态统计准则。举例来说，如下计算标准偏差：
[0075]
σm＝δ
ꢀꢀꢀ
(9)。
[0076]
在一实施例中，针对有噪声输出测量y实施数据滤波和筛选。举例来说，数字滤波器与控制装置28一起实施以对噪声进行滤波，并包含用以对信号尖峰和频率突变进行限幅的振幅滤波器和/或用以从信号移除可不利地影响控制装置28的计算速度的高阶噪声相关频率的低通滤波器。
[0077]
在实施状态空间模型42的实施例中，用于稳态非线性模型42的在控制装置频率k下具有一阶动力学的经离散化状态空间模型42(方程式(6)、(7)和(8))可被表达为：
[0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084]
其中y1为具有稳态增益反转的经最大化输出变量，y2在安全操作限度内受控制，且
y3标示用以最大化输出变量y1的最佳稳态操控输入的位置。对于一些设备操作，操控输入u可用于经由变量函数最大化输出变量y1，参考图1描述了所述变量函数中的一些。因此，经强化状态空间模型可被写为：
[0085]
x
k 1
＝f(xk，uk，mk)
ꢀꢀꢀ
(16)，
[0086]yk 1
＝x
k 1
ꢀꢀꢀ
(17)，
[0087]
其中x＝[x1,x2,x3]标示模型42的状态，且y＝[y1,y2,y3]标示输出测量。
[0088]
进一步参考图3，在一实施例中，控制装置28连同存储于控制装置28的存储器内的指令可用于在峰值54下优化输出变量y1，在所述峰值处相对于操控输入u发生稳态增益反转。
[0089]
在一些实施例中，设备模型失配可归因于输出测量的干扰而非控制装置28的nmpc中的输入或过程。存储于控制装置28的存储器中的指令用于基于定制输出测量，例如本文中所定义的定制输出测量，来实施输入干扰模型，以在存在经测量干扰和未测量的干扰的情况下考量最佳操控输入u的位置失配。为了使控制装置28利用经强化状态空间公式化(方程式(16)和(17))中的输出测量，控制装置28包含状态估计器44，所述状态估计器被配置成模拟化学系统10的操作以基于由模型42对化学系统10的表征而预测化学系统10的操作。举例来说，在一实施例中，状态估计器44被配置成利用定制输出测量以估计进入过程的未测量的干扰并由此基于由模型42对化学系统的表征而预测化学系统的操作。
[0090]
在一实施例中，状态估计器44可包含输入干扰模型，其用于并入有来自最佳稳态操控输入的位置的反馈，所述最佳稳态操控输入被标示为偶尔观测到的输出测量y3。在一实施例中，通过根据以下关系将经观测和经预测值的差指派为用于操控输入u的输入干扰d来针对最佳稳态操控输入或经观测输出测量y3的位置进行校正：
[0091][0092]
其中为在取样时间或控制装置频率k下基于y3中的输出预测误差的输入干扰的估计。可偶尔进行以上校正(方程式(18))，例如仅当在控制装置28的安定时间ts内符合用以观测新稳态最佳值y3的所有准则时，如上文所界定。在输入干扰的估计保持相同的实施例中，归因于新最佳稳态操控输入或经观测输出测量y3而不存在校正，且因此：
[0093][0094]
为了更新状态估计器44的预测，输出测量y2中的经观测误差的分率偏差α用作恒定输出干扰p^2以更新模型42。分率偏差被计算为：
[0095][0096]
在操作中，输出干扰模型用于并入有来自经最大化输出变量y1的反馈以在控制装置频率k下获得状态估计。用于输出变量y1的状态和输出干扰的估计接着可使用用于非线性模型42的扩展式卡尔曼滤波器(extended kalman filter)连同并入有输入干扰估计而获得，如下：
[0097][0098][0099]
上文所概述的滤波器接着可用于提供反馈以用于更新用于x和p1的状态估计。整个滤波器归因于用于输出测量y3的测量更新的不频繁可用性而时变。在一实施例中，时变系统可经重新制定为非时变的提升系统以获得滤波器增益。
[0100]
在一实施例中，稳态计算器46操作以基于由模型对化学系统10的表征和化学系统10的一个或多个稳态输出变量而确定用于操作化学系统10的优化操控输入。在一些状况下，计算器46可作为被配置成将输出y
ss
维持于预定义点处和/或预定义范围内的优化器而操作。在一实施例中，非线性稳态目标计算器46被配置成基于如由模型所计算的化学系统的表征而确定用于操作化学系统的稳态操控输入。用于输出y
ss
、输入u
ss
和状态x
ss
的稳态计算器46可使用非线性程序来评估，以最小化输出与其相应设定点的偏差和输入与其当前值的偏差。在高不可行值下选择用于经最大化的输出变量的设定点以促进其在峰值54下的最大化，在所述峰值处发生稳态增益反转。非线性目标跟踪优化问题接着可被如下写为：
[0101][0102][0103][0104]
其中qs和ss为正定加权矩阵。
[0105]
经强化输出干扰向量被标示为p，而d为输入干扰。用于模型42的控管约束可用以下关系来表达：
[0106][0107]
在以上公式化中考量经测量干扰m和恒定干扰对输入d和输出p的影响。在操作期间，在一实施例中，一直满足输入约束，而在重要性方面对输出约束进行排序且基于经指派相对优先级而满足输出约束。此外，在一实施例中，仅当针对稳态条件观测到新最佳稳态操控输入或输出测量y3时才更新输入干扰估计d，而可基于输出测量y1和y2中的偏差在每一控制装置执行时估计输出干扰p。然而，应了解，可在不脱离本文中所提供的教示的情况下在任何其它控制装置执行时段或频率下估计输出干扰p。
[0108]
进一步参考图3，控制装置28还包含调节器48，其被配置成基于优化操控输入和相关联输出目标而提供用于调节化学系统10的一个或多个输入的信号。信号被配置成致动控制阀以控制新鲜烯烃进料的流动、氧进料的设定点、气相促进剂进料的设定点和/或控制装置28以用于致动任何其它可变输入。在一实施例中，控制装置28可作为监督控制装置28应用于化学系统10，即，nmpc控制装置28不直接操控过程，但向例如线性模型预测性控制装置(“lmpc”)或比例积分微分(“pid”)控制装置的从属控制装置提供设定点。在此控制结构中，
nmpc控制装置28处于监督模式中，并向较低层级lmpc或pid控制装置提供设定点。作为响应，直接由pid控制装置根据由nmpc控制装置28指派的设定点调节化学系统10。在其它实施例中，可利用三级级联控制结构，其中nmpc控制装置28起到动态实时优化(rto)的作用。nmpc控制装置28对照多个约束在不同操作点处计算自变量的最佳值。这些值作为外部目标传递到辅助控制装置。接着，辅助控制装置确定如何移动关于这些外部目标的设定点，并将设定点之下一移动提供到pid控制装置。pid控制装置直接控制系统的操控变量，并将系统的控制变量调节到由辅助控制装置指派的设定点。另外，操控输入可包含稳态生产速率、稳态氯化有效性参数(z)或稳态环氧乙烷(eo)选择性中的至少一者。
[0109]
在一实施例中，动态调节器48可被表达为以下开环非线性目标函数：
[0110][0111]
其中q和s为正定加权矩阵，n为输出范围，且m为输入范围。因此，用于过程的优化的控管约束是使用输出测量直到时间k由状态和输出的预测定义，其中所述约束被定义如下：
[0112][0113][0114][0115][0116]
对于本文中所描述的过程，考虑以下形式的输入和输出约束：
[0117][0118]
在一实施例中，对于动态调节一直满足输入约束。另一方面，可在重要性方面对输出约束进行排序且基于优先级满足输出约束。未来开环控制移动的向量(uk...u
k m
)是从方程式(27)计算，且第一输入值经由一个或多个可变输入的控制而注入到设备中。此过程可以任何所需后续时间间隔来重复，其中使用设备测量进行反馈以更新状态估计。
[0119]
控制装置28利用最佳稳态操控输入作为用于更新输入干扰估计的额外不频繁输出测量。控制输出被最大化的最佳稳态操控输入的位置(方程式(4))取决于经测量干扰m且可用以更新输入干扰估计。归因于相关联输入多重性，在直接使用y1的情况下，输入干扰的准确识别是有问题的。因此，输入多重性的稳健识别对于控制装置28可为重要的，所述控制装置具有以下目标：保持于具有具备有噪声工业数据的稳态增益反转作为测量的过程的峰值54处或靠近所述峰值。还可想到，本文中所描述的化学系统10和/或控制装置28还可用于在最小值而非最大值下展现稳态增益反转的过程，其具有以谷值最小化例如操作成本的控制目标。
[0120]
在一实施例中，本文中所描述的控制装置28用于工业乙烯环氧化反应器12中以最大化用于反应器中的环氧乙烷生产的选择性。相较于手动地优化选择性，闭环控制装置28通过在eo选择性上达成0.5％到1％的平均增益而产生显著的商用价值。
[0121]
作为实例而非限制，在以下实例中详细地描述本公开的一些实施例。
[0122]
实例
[0123]
应用用于实施具有稳态增益反转的过程的化学系统的控制装置以最大化对环氧乙烷(eo)的反应的选择性。使用用于乙烯到环氧乙烷的选择性氧化的银基催化剂来生产环氧乙烷，由此最小化降低环氧乙烷(eo)选择性的二级反应。对于常规催化剂，eo选择性不会达到高于85.7％的值，其长期以来一直被视为用于以下总反应的理论最大选择性：
[0124]
7c2h4 6o2→
6c2h4o 2co2 2h2o
ꢀꢀꢀ
(33)。
[0125]
一些工业乙烯环氧化反应器使用共同进料的氯化促进剂，其吸附于催化剂上以通过促进或缓和某些反应路径且以此方式增加对环氧乙烷的选择性氧化而改性。高效工业催化剂倾向于展现用于eo选择性的随有效气相氯化物浓度而变的相对陡拋物线形曲线，所述有效气相氯化物浓度可经测量作为无量纲氯化有效性参数z。经验稳态模型使eo选择性eo
sel
与取决于分压的氯化有效性参数z相关。峰值或最佳值eo选择性的位置还为用于控制eo生产速率的反应温度的强函数。
[0126]
反馈控制装置的目标是通过在存在归因于eo生产速率eo
prod
和入口氧浓度io2的干扰的情况下操控氯化有效性参数z来最大化eo选择性eo
sel
。作为一实例，用于氯乙烷流动ec
flow
的过程操作限度被排序为比最大化eo选择性eo
sel
更重要，使得过程操作限度可在极端条件下限制eo选择性eo
sel
的最大化。相对于z的eo选择性eo
sel
达到最大值且稳态增益改变符号的峰值的位置取决于经测量干扰和未测量的干扰。与对催化剂使用年限的预测相比，包含催化剂性能过高/不足的未测量的干扰还会影响峰值的位置。图4中展示相对于z在不同生产速率下的eo选择性eo
sel
的稳态变化，其充当经测量干扰。在实施本文中所提供的控制装置之前，稳态非线性过程模型用于计算用于z的开环目标，且基于经观测eo选择性eo
sel
手动地进行校正。
[0127]
经验证经验稳态模型连同一阶动力学一起使用以捕获过程输出测量中的信息。具有不同稳态增益(1到10的乘数)和时间常数(1到2的乘数)的一阶动力学用于定义输入u、m对输出y的影响。稳态非线性模型(方程式(6)、(7)和(8))具有以下变量：
[0128]
u＝[z]
ꢀꢀꢀ
(34)，
[0129]
m＝[eo
prod
，io2]
ꢀꢀꢀ
(35)，
[0130][0131]
其中u为操控输入，m为经测量干扰，且y为控制输出。为操控输入z的最佳稳态值，其在稳定条件下最大化eo
sel
并用作定制测量y3。用于输出y的稳态非线性模型被计算为：
[0132][0133]
ec
flow
(lb/hr)＝0.868-1.374*z
ꢀꢀꢀ
(38)，
[0134][0135]
其中用于eo
prod
的经测量干扰m是以lb/hr为单位进行测量且io2被表达为百分数。eo
sel
具有一阶动力学，其在正常eo生产速率eo
prod
下具有30分钟的停滞时间和5小时的时间常数。另外，ec
flow
具有一阶动力学，其在正常eo生产速率eo
prod
下不具有停滞时间且具有2小时的时间常数。用于eo
sel
和ec
flow
的时间常数随着eo生产速率eo
prod
而变化。为最佳值z的稳态值且不具有时变动力学。
[0136]
经离散化状态空间模型是在方程式(16)和(17)中所提供的频率下连同经验证经验稳态模型一起被计算，并由控制装置28使用以最大化eo选择性eo
sel
或经最大化输出变量y1。分层控制用作主要控制装置，其在其中实施nmpc，所述主要控制装置通过操控氯化有效性参数z来最大化eo选择性，所述氯化有效性参数由较快辅助pid控制装置调节。
[0137]
利用nmpc的主要控制装置用于通过每15分钟操控氯化有效性参数z来最大化eo选择性eo
sel
。用于主要控制装置的较慢执行时间是足够的，这是因为用于eo选择性的模型具有长安定时间，并由于相关联动态优化问题的较高计算需要而也为所需的。本文中所描述的用于eo选择性eo
sel
的nmpc模型是非线性的，并取决于eo生产速率而具有6小时到12小时的长安定时间。适当地调谐nmpc模型以获得所需控制动作。用于nmpc模型的控制目标经排序使得用于氯乙烷流动ec
flow
或y2的操作限度是最重要的，随后最大化eo
sel
或经最大化输出变量y1，如表1中所概述。
[0138]
表1
[0139][0140]
这些排序是在稳态目标优化(方程式(23))和动态调节(方程式(27))两者期间实行。关于操作限度y2或输出测量y3的限度对于正常设备操作不会起作用，由此允许最大化eo选择性eo
sel
或经最大化输出变量y1。eo选择性eo
sel
的最大化是通过向其给出极高的不可行目标来达成。表2中展示用于氯化有效性参数z和输出y的操控输入的操作限度。
[0141]
表2
[0142][0143]
关于用于动态调节(方程式(32))的氯化有效性参数z的操控输入的移动的限度足够小，以防止其移动速度超过基础过程和过程控制可响应的速度。
[0144]
对于控制装置，输入范围m被设定为三小时且输出范围n被设定为12小时(方程式(27))。输出q、qs与其期望值的偏差的二次损失被设定为其标称值以获得用于每一输出的相同相对值(方程式(23)和(27))，使得：
[0145][0146]
在考量表2中所呈现的可为优化函数和动态调节(方程式(23)和(27))的稳态目标计算的操作上限和操作下限之后，针对所述稳态目标计算设定关于用于氯化有效性参数z(s)的操控输入的改变速率的二次损失，使得
[0147]
s＝0.025
ꢀꢀꢀ
(40)。
[0148]
通过将用于氯化有效性参数z的移动作为目标传递到辅助lmpc或pid控制装置来实施所述移动，所述辅助lmpc或pid控制装置通过每秒操控氯乙烷流动ec
flow
以拒绝较快干扰来控制氯化有效性参数z。
[0149]
对有噪声eo选择性测量y实施适当数据筛选和滤波。归因于不良测量分析而导致的错误分析器数据可向控制装置提供经计算eo选择性的不当值。通过在将分析器数据用于eo选择性eo
sel
计算之前对照有效性限度检查所述分析器数据来确保适当反馈。
[0150]
在操作中，图5和图6中示出展示在实施nmpc控制装置之前用操作规则管理eo选择性的基线设备数据。如所示出，即使生产速率从时间＝2400分钟到时间＝3500分钟减小，选择性也不会一致地增加，这是因为未适当地调节氯化有效性参数z。另外，归因于在时间＝3600分钟时生产速率增加，选择性在时间＝3800分钟左右下降。归因于开环实施方案，较高氯化有效性参数z帮助在时间＝5500分钟时获得较高选择性。然而，归因于与用于氯化有效性参数z的目标的开环实施方案相关联的延迟和限制，eo选择性eo
sel
存在损失。
[0151]
相反地，相比于使用稳态非线性过程模型以计算用于氯化有效性参数z的开环目标的旧有控制方案，使用本文中所描述的nmpc控制装置来更有效地最大化eo选择性eo
sel
，从而产生用于工业过程的选择性的0.5％到1％的平均增益。nmpc应用基于三种情境最大化eo选择性eo
sel
，所述情境包含：
[0152]
1.高eo生产速率下的eo选择性控制；
[0153]
2.逐渐增加的eo生产速率下的eo选择性控制；以及
[0154]
3.用于大的未测量的干扰的eo选择性控制。
[0155]
在以上三种情境中，用于氯乙烷流动ec
flow
的限度较宽且不会变成有效约束，因此氯化有效性参数z可用于eo选择性eo
sel
的最大化。
[0156]
图7展示如何通过在高eo生产速率下操控氯化有效性参数z来最大化eo选择性
eo
sel
且使其在最佳值附近波动，如图8中所示出。入口氧浓度在所述时间段期间保持相对恒定。最终的氯化有效性参数z值较小，这是因为最佳值对于最大化eo选择性eo
sel
较低。归因于输入干扰模型而导致的在最佳值附近的波动确保eo选择性eo
sel
的有效最大化。
[0157]
当乙基环氧化反应器的速率从低生产速率提高到较高生产速率时，控制装置还在使用中，如图9中所示出。用于氯化有效性参数z的操控输入在三天内随着eo生产速率而增加，如图10中所示出，这是因为其用以将eo选择性eo
sel
保持最大化的最佳值逐渐增加。另外，入口氧浓度在所述时间段期间保持相对恒定。
[0158]
在图11和图12中所示出的实例中，即使实际的氯化有效性参数z尚未改变，在时间＝200分钟时也将测量分析器中的一者交换为备用分析器，从而导致经测量氯化有效性参数z下降。因此，控制装置28通过增加ec
flow
以增加经测量氯化有效性参数z来进行响应，这可引起较高氯化和选择性eo
sel
的后续下降。当这由控制装置28侦测到时，氯化有效性参数z开始在时间＝400分钟时减小以补偿过度氯化，从而产生较高eo选择性eo
sel
。氯化有效性参数z在时间＝1750分钟左右停止减小，在最佳值附近安定和摆动以将eo选择性eo
sel
保持最大化。已添加适当数据筛选准则以侦测分析器交换，且考虑重新校准以防止控制装置的各种实施方案出现相关联的未测量的干扰。
[0159]
特别期望的是，本公开不限于本文中所含有的实施例和说明，而是包含那些实施例的修改形式，所述修改形式包含在所附权利要求书的范围内出现的实施例的部分和不同实施例的要素的组合。