工業(yè)過程運行案例性能分析與在線評價的研究.pdf

1、在現(xiàn)代工業(yè)過程中，為了降低生產成本、減少排放與能耗，保持企業(yè)的競爭力，需要使過程安全、可靠、平穩(wěn)地運行，其中安全問題為至關重要。過程故障是引起工業(yè)安全隱患、危險狀況的重要原因，過程監(jiān)控的研究致力于解決故障的檢測、分離、診斷、過程恢復等，已經成為自動化領域的一個重要分支。根據(jù)過程監(jiān)控模型的不同，一般可以將監(jiān)控方法分為基于解析模型、數(shù)據(jù)驅動和基于知識或定性模型的方法。相比于故障檢測和診斷，安全分析與評價更多地是從工藝角度具體細致地描述過程設

2、備、運行狀態(tài)的安全性。過程故障的自動恢復性控制、實時安全性評價和自動安全控制等將是過程控制今后的一個重要發(fā)展方向，而實現(xiàn)這工作的第一步則需要得到過程安全性的實時分析和評價結果。
　　 過程監(jiān)控與故障診斷、安全性能的分析評價等研究已取得許多理論和應用成果，但同時也存在較多尚未解決的問題。本文從初步討論控制策略對故障檢測的影響出發(fā)，接著提出解決一類復雜故障的分離問題的方法，然后探索性地構造了兩種安全性指數(shù)，從變量安全約束和動態(tài)穩(wěn)定型

3、兩方面得到運行狀態(tài)的安全性的在線評價結果。由于該領域涉及的方面較廣，文中不可能巨細無遺地對所有問題進行研究，但也希望借助本文的探討拋磚引玉，供作深入研究的引子。本文主要工作和創(chuàng)新結果如下：
　　 (1)針對工業(yè)過程運行中的一些復雜現(xiàn)象進行介紹和討論。由于工業(yè)過程涉及到很多復雜的物質、能量交換和物理化學變化，往往具備規(guī)模大，變量多，高度非線性、強耦合性與相關性等特征?？刂撇呗缘囊敫淖兞讼到y(tǒng)輸入輸出、動態(tài)關系；受到各種過程固有特征

4、和外在因素變化的影響，工業(yè)過程會呈現(xiàn)出多工況或多模式的運行狀態(tài)；作為非線性系統(tǒng)，許多工業(yè)過程存在分岔現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性.工業(yè)過程復雜的運行狀態(tài)給故障檢測和診斷，安全分析和評價的研究帶來了較大的困難和挑戰(zhàn)。然后以Tennessee Eastman(TE)過程為例，初步討論了過程控制策略對監(jiān)控性能的影響。
　　 (2)基于結構化殘差(Structured Residuals)的故障分離方法的原理在于為不同故障設計具有區(qū)分

5、功能的殘差響應特征，將故障特征進行解耦。工業(yè)過程中普遍存在對系統(tǒng)有復雜影響的故障，其解耦難度較大，甚至是不可分離性的。在過程的主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)模型下，提出一種多層策略，去除復雜故障的共同影響特征，將其轉化成簡單故障。然后分配至不同層進行區(qū)分，在設計結構化殘差時，每個殘差被設置為對某一故障不敏感，同時最大化其對其余故障響應的敏感度。經過逐層特征抽取和結構化殘差設計，最后得到表征

6、各殘差對全部故障響應特征的事件矩陣，用于分類全部簡單或復雜的故障。將該方法應用于TE過程，仿真實驗結果證明了其有效性。
　　 (3)為了實時地給出過程運行安全性的在線評價，提出一種基于多模式工況識別的方法。首先基于工業(yè)過程的歷史運行數(shù)據(jù)，使用混合高斯模型(GaussianMixture Model，GMM)來表征過程的多工況狀態(tài)，并在線識別當前工況。將過程變量變化至其安全邊界的概率作為安全性指數(shù)(Safety Index，SI)

7、，用于描述當前工況的安全程度，該指數(shù)的構造可以視為從高維的過程變量空間至指數(shù)空間的一個映射。根據(jù)歷史運行的安全性能指數(shù)值的范圍進行等級劃分，并在一個較低的D空間中得到與不同安全性能等級的子集(子空間)與區(qū)域邊界，然后可以得到當前安全性能在子空間內的裕度。將該指數(shù)應用于TE過程和一個工業(yè)聚丙烯(Polypropylene，PP)生產過程，實驗結果表明SI能夠實時指示過程運行安全性的變化，并為提高過程安全性能的進一步操作提供調節(jié)方向的參考。

8、
　　 (4)基于Hopf分岔分析，從動態(tài)穩(wěn)定性方面對工業(yè)過程運行狀態(tài)進行安全性評價。采用分岔方程描述過程系統(tǒng)的Hopf分岔點所在的臨界曲面，并作為系統(tǒng)參數(shù)或操作變量的安全邊界，然后構造了一個動態(tài)安全性指數(shù)(Dynamic SafetyIndex，DSI)用于綜合描述各參數(shù)到其分岔點的距離。將該方法應用于一個聚乙烯(Polyethylene，PE)流化床反應器的仿真過程中，結果表明該動態(tài)安全性指數(shù)能夠有效指示過程系統(tǒng)的運行狀態(tài)至