INFORMATION AND MANAGEMENT

Development of an integrated adaptive control system for technological units of an oil refinery based on multimodel predictive control and self-learning digital twins

Authors

  • Alexey E. Baranenkov National University of Oil and Gas "Gubkin University", 119991, Moscow, Leninsky prosp., 65, bldg. 1

How to cite

GOST Baranenkov A. E. Development of an integrated adaptive control system for technological units of an oil refinery based on multimodel predictive control and self-learning digital twins // Environmental Management Issues. 2025. Vol. 4. No. 8. P. 73-82. DOI: 10.25726/z9799-1182-5194-q
APA Baranenkov, A. E. (2025). Development of an integrated adaptive control system for technological units of an oil refinery based on multimodel predictive control and self-learning digital twins. Environmental Management Issues, 4(8), 73-82. https://doi.org/10.25726/z9799-1182-5194-q

Abstract

The article is devoted to the development and pilot-industrial validation of an integrated adaptive control system for oil refining process units, aimed at overcoming the limitations of classical DCS/PID loops and model degradation in traditional linear APC solutions under nonstationarity, nonlinearity, and equipment parameter drift. An architecture is considered that combines multimodel nonlinear predictive control with a receding horizon and an ensemble of self-learning digital twins functioning as dynamic predictors and virtual quality analyzers under conditions of significant laboratory analysis delays. Primary oil processing (EDU-AVT-6) and the catalytic cracking section are described as key technological examples; processing of large volumes of high-frequency archival telemetry and sparse quality data required data cleaning, synchronization, and computational support procedures compatible with industrial real-time requirements. The digital twins are implemented in a hybrid manner: recurrent neural network models (LSTM/GRU) are supplemented with simplified physicochemical relations of mass and heat balances to enhance robustness when operating conditions move beyond the training scenarios. A continuous adaptation mechanism is introduced that initiates retraining when forecast error increases, as well as a setpoint validation module that constrains control actions by technological regulations. It is shown that for a distillation column under feed disturbances, adaptive NMPC provides a significant reduction in settling time, suppression of overshoot, and a decrease in integral error criteria compared to cascade PID and standard MPC, while simultaneously reducing specific steam consumption. For virtual quality analyzers, high explanatory power of the models (R² > 0.92) and errors comparable to laboratory reproducibility for a number of indicators are demonstrated, making closed-loop quality control possible without waiting for analyses. At the catalytic cracking level, a redistribution of the material balance toward light fractions is recorded with a reduction in gas yield, coke formation, and catalyst losses, and correlation analysis links regime stabilization with economic effects. The described results and computational latency indicators confirm the practical feasibility of the approach and its relevance for improving energy efficiency, target product yields, and control reliability at modern oil refineries.

Keywords

multimodel predictive control nonlinear model predictive control NMPC self-learning digital twins virtual quality analyzers oil refinery

References

Баранов Н.Е. Построение системы усовершенствованного управления технологическими процессами с использованием адаптивной прогнозирующей модели // Технология машиностроения. 2023. № 8. С. 38–42.

Бронов С.А., Непомнящий О.В., Чумаченко А.А., Вайман М.А., Хайдукова В.Н. Адаптивные системы управления в составе прецизионных электромеханических устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 8. С. 627–633.

Говорков Д.А., Соловьев И.Г., Лапик Н.В., Лапик О.И. Частотная ПИ-стабилизация подачи с автоконтролем режимных ограничений для скважин с ЭЦН // Автоматизация и информатизация ТЭК. 2023. № 8 (601). С. 5–12.

Иноземцев А.А., Грибков И.Н., Ламанова Н.Г., Плешивых А.С., Саженков А.Н. Аналитическое резервирование каналов измерений цифровой системы управления газотурбинного двигателя на основе адаптивного фильтра Язвинского // Авиационные двигатели. 2023. № 2 (19). С. 5–12.

Карякин А.Т. Разработка адаптивных алгоритмов управления для стабилизации экономических процессов в условиях цифровой трансформации промышленных комплексов // Экономика: вчера, сегодня, завтра. 2025. Т. 15. № 2-1. С. 130–144.

Корнеев А.М., Сметанникова Т.А., Максимов А.В., Пантюшин М.Н. Модули цифрового двойника многостадийного производственного процесса // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2024. Т. 20. № 2 (76). С. 30–38.

Кузнецов В.И., Старовойтенко Э.Ю. Научно-методические основы предиктивного управления на основе математических моделей цифровых двойников производственных технологических процессов // Труды «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2024. № 2 (68). С. 60–68.

Ломухин И.А., Киян А.И., Пищухин А.М., Ахмедьянова Г.Ф. Автоматизированная система управления эксплуатацией месторождения углеводородов // Автоматизация. Современные технологии. 2023. Т. 77. № 3. С. 99–103.

Прохоренко В.А. Система адаптивного управления технологическим циклом автоматизированного производства // Известия Гомельского государственного университета имени Ф. Скорины. 2023. № 3 (138). С. 69–73.

Работников М.А., Шумихин А.Г. Применение адаптируемых моделей в системах упреждающего управления процессами органического синтеза // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2023. № 46. С. 67–82.

Севостьянов Р.А., Сотникова М.В. Цифровой алгоритм адаптивного управления контролируемыми переменными в заданном диапазоне // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2025. Т. 21. № 1. С. 151–168.

Серяков А.М. Изучение применения адаптивного управления в процессах очистки нефтехимических продуктов от примесей // Наука и инновационные технологии. 2023. № 1 (26). С. 251–254.

Смородин В.С., Прохоренко В.А. Интеллектуальная система адаптации управления с обратными связями // Проблемы физики, математики и техники. 2024. № 1 (58). С. 93–98.

Фарунцев С.Д. От цифрового двойника к системам интеллектуального управления. Синтез гибридной модели управления теплотехническими объектами установок подготовки нефти // Автоматизация в промышленности. 2023. № 2. С. 3–14.

Шевчук В.П. Адаптивное управление эффективностью функционирования верхней части ректификационной установки // Промышленные АСУ и контроллеры. 2024. № 2. С. 12–20.

Issue

Section

INFORMATION AND MANAGEMENT
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 6 7 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.