主题：【原创】化工过程控制的实践 -- 润树

Aspen 的实时优化（real time optimization, RTO）是用模型法来作过程静态优化的代表。它是在其原有静态仿真软件Aspen Plus的平台上，加入参数估计（parameter estimation），数据重整（data reconciliation），优化（optimization）这些功能而构成的一个循环计算系统。这个系统通过在线接口与实时控制系统连接，读入过程变量，经过前述循环计算后，将优化变量值输出到实时控制系统，达到过程静态优化的目的。

那么为什么一个优化系统需要有这么一个循环计算过程呢？我们首先对一个优化系统中的变量进行分类，然后解释各计算功能的作用以及这些计算是如何实现的。

一个过程优化系统有过程输入X，操作条件O，模型参数U，以及输出Y和Z四大类变量。我们以前讲到的静态仿真，它所有的模型（数学表达）都是建立在“封闭形式”（closed form）基础上的，即在给定X，O，和U的条件下来计算Y和Z：

Y = f（X，O，U）

Z = f（X，O，U）

这种结构的模型，是通过“程序模块式流程”（sequential modular flowsheeting）的计算方法来求解方程的，必须满足下列收敛指标：

1． 过程设备和产品的设计指标

2． 外循环回路

3． 内循环回路

4． 物性

要对一个过程进行优化，显然不能将输入和操作条件固定起来（它们中的一些变量将被选择为优化变量），因此上述仿真的求解模式是不适合的。这就产生了过程模型的“开放形式”（open form）的数学表达，既

0 = Y - f（X，O，U）

0 = Z - f（X，O，U）

在这组方程中，变量可以是固定的，自由的，和有自由度的，而它们各自状态的选择，取决于下列优化过程中的循环计算模式：

模式 X O U Y Z

仿真 固定 固定 固定 自由 自由

参数整定 固定 固定 自由 固定 固定

优化 自由度 自由度 固定 固定 固定

简单地说，仿真是在输入和参数都固定的前提下来计算输出；参数整定是在给定输入和输出的条件下来找到适合的模型参数（对模型进行校正）；优化是在给定参数和满足输出要求的情况下来寻找能使目标函数最大/最小化的输入。优化循环计算的第四个模式是数据重整（data reconciliation），即根据过程的测量值，来对模型的参数进行优化，使模型计算值与过程测量值之间的误差最小。典型的模型参数有精馏塔的塔板效率，热交换器的热交换系数，化学反应器中催化剂的活性系数等。

求解开放形方程的方法是方程取向型（equation oriented, EO）的流程计算法，它的特点是，每一个单元操作都是由开放型的模型来描述的，一些连接方程把这些模型串联起来，然后由一个全局求解器同时趋动所有变量，来寻找使开放方程的残差趋于零的变量值。此种方法可很好的处理那些具有复杂的循环和热量综合利用的过程，其精确的微分解析值能加快找到答案，适用于大型过程，优化求解与仿真求解费时相当，整体效果好。Aspen将这个求解器命名为循序二次规划（successive quadratic programming, SQP）。

从理论上说，RTO可以直接与DCS接口而独立运行，但实践中，从约束条件和系统稳定的角度出发，它一般都是和MPC系统共同操作。因为MPC本身也有优化功能，我们需要对它们作一个比较，如下所示：

MPC的特点 RTO的特点

系统介于DCS和RTO之间 系统介于MPC和工厂计划系统之间

从工厂测试获得线性经验模型 从第一原理建立机理模型

高频优化计算和实现，以分钟计 低频优化运算和实现，以小时计

小范围局部近似优化 大范围全局精确优化

经济指标不经常更新 源于产品价格变化等因素，经济指标经常更新

这里对优化实现频率的问题要作一个说明。RTO之所以计算频率低，除了计算量大难以收敛外，更主要的原因在于，过程在接受新的优化变量值后，需要相当的时间才能到达新的平衡态。而RTO必须在系统到达平衡态以后，才能进行下一次的优化计算，否则，可能将过程导入偏离优化点的状态。

RTO项目费时很长，一个并不非常复杂的化工过程可能都要一年以上才能完成。主要的工作是在建模上。Aspen Plus虽然提供现成的单元操作模型，但很多化学反应的模型常常只有该产品的生产厂家才有。这些模型都是在过去长期实验的基础上建立起来的，大多是用很老的计算机语言写成的。要把这些程序转换到Aspen Plus中需要做大量工作。这一方面我们以前在过程仿真的章节里作个一些介绍，这里不详述。

在前述的所有工作都完成以后，即可将系统投入运行。此后的工作将依赖于工厂的技术人员对系统进行维护。实践证明，这是一项非常严峻的任务。由于系统在运行中需要在过程静态的判断，参数的整定，数据的重整，优化等几种模式之间转换，任何一环出现问题都将使系统不能正常运行，因此使用者必须对系统的内部各个环节有深入的理解，才能有效利用该软件提供的在线监测功能，及时解决可能现的问题，保证系统处于高效运行的状态。