文献类型：会议论文

中文题名：丙烯聚合牌号切换过程模型预测控制方法研究

作者：刘顾洋[1];李沈杰[1];卢静宜[1];杜文莉[1];

机构：[1]华东理工大学信息科学与工程学院;

会议论文集：第36届中国过程控制会议论文集（下）

会议日期：20250725

会议地点：中国四川宜宾

主办单位：中国自动化学会过程控制专业委员会;中国自动化学会

语种：中文

中文关键词：聚烯烃;多重打靶法;模型预测控制;无迹卡尔曼滤波;牌号切换优化

摘要：环管式丙烯本体聚合装置因其高体积产率、低能耗成为全球聚丙烯生产主流。然而"多品种、小批量、快节拍"的柔性市场迫使同一装置每天甚至每班次都需要在熔融指数（MFI）跨度极大的牌号之间切换。由于随机噪声、操作约束与氢-丙调节迟滞等因素耦合,传统PID经验法难以同步压缩过渡料并稳定温度,往往引发超调并推高能耗和碳排。为此,学界提出动态优化方法:基于梯度的算法收敛迅速且理论成熟,但在信息不足或规模膨胀时易陷局部最优;粒子群等智能算法凭借群体协同搜索避免早熟,显著缩短过渡期、降低不合格品率,却依赖大量迭代与并行算力。相比之下,基于数值的多重打靶法（MS）通过时间域分段将大规模非线性最优控制问题拆解为若干小型子问题,因而在烯烃聚合牌号切换中兼具收敛性和实时性;但模型失配、扰动与噪声会使开环轨迹偏离实际,大幅降低鲁棒性。因而一些学者尝试将模型预测控制（MPC）引入牌号切换,单层MPC虽能闭环滚动优化,缩短过渡并抑制波动,却在状态剧变或强噪声下易出现滞后与超调,难以满足大型装置对实时性和精度的要求。为此,本文提出"无迹卡尔曼滤波-多重打靶法-模型预测控制"三位一体闭环策略:UKF实现状态滤波,多重打靶分段优化,MPC滚动求解并执行首个控制量,三者耦合构成高鲁棒闭环策略,旨在从根本上压缩过渡时间、同时保证温度安全和能源经济性。以下将从目的、方法、结果、结论具体阐述:目的:（1）验证UKF状态估计-MS稀疏离散-多目标MPC的协同,是否能够在环管聚丙烯（PP）装置牌号切换的噪声环境下提高MFI（熔融指数）控制精度并降低废料;（2）量化该闭环策略对过渡料、产量、温度波动、原料单耗的综合改进。方法:1)机理模型:构建含链增长矩与排出因子1)的14维多尺度模型。其中状态向量和控制向量分别为■排出因子1)修正了出口浆料与主环管内固-液浓度差造成的非理想特性,给出:■反应器内各组分的浓度变化率■温度平衡:■结合链增长矩方程:■最后利用经验式:■获得MFI预测,完成14维多尺度模型标定。2) UKF估计:选取α=10,κ=0,β=2,对2n+1=29个sigma点,进行时间预测与观测校正■3)多重打靶法（MS）离散化:预测窗时间长12均分为40段,步长■=0.3,并对子区间引入连续性约束,确保整个时间区间内的状态轨迹无缝衔接:■同时引入工艺安全约束（温度窗口、流量上下限、MFI范围）:■4)MPC优化:滚动求解多目标函数:■其中■,并施加路径约束:■每一次求解完成后,MPC只施加最优控制序列中的第一步控制■到实际过程,然后滚动到下一时刻6+1,再次进行UKF状态更新与MPC求解,如此往复,形成在线闭环控制。结果:仿真采用Python-CasADi-IPOPT平台,在输入测量噪声标准差0.05、过程噪声0.01的条件下,将本UKF–MS–MPC（A）与开环MS（B）、无滤波的MPC+MS（C）对照。结果显示,A方案相对B、C方案表现出显著优势:在测量、过程噪声的影响下,将熔融指数稳态均方误差压缩至7×10,稳态误差减小了45.31%;温度波动幅度降0.256℃,并将过渡料比例从29.47%减少到11.83%;与此同时,通过协同优化氢气-丙烯配比和传热负荷,累计合格产量提高6.8%,原料单耗量降低3.71%。结论:本文研究表明,将无迹卡尔曼滤波、多重打靶法与模型预测控制深度耦合可显著提升环管聚丙烯装置牌号切换过程的实时优化性能结果显示该闭环策略在强噪声与模型不确定条件下,能迅速将MFI拉回目标区,过渡废料与能耗均明显降低,系统鲁棒性和温控精度均优于传统方法。该方案为聚丙烯生产的高效、安全、经济运行提供了新路径,展现出良好的鲁棒性和实际应用潜力,为聚丙烯生产过程中的牌号切换优化提供了有效的控制策略。