间歇生产过程经济模型预测控制理论与应用

发布时间：2020-05-01 22:17

【摘要】：随着市场需求的多样化,间歇过程引起了工业界和学术界的广泛关注,在工业生产过程中的地位愈发重要。工业控制技术,尤其是以模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)为基础的先进控制技术的不断发展,使得间歇过程控制理论逐渐成熟。近年来,一些研究学者对过程的经济性能表现出浓厚兴趣,提出经济MPC(Economic Model Predictive Control,EMPC)算法提升经济性能,然而其主要理论和应用都面向连续过程。本文围绕间歇过程区别于连续过程的特点,从经济性能的角度重新审视过程干扰、市场波动、过程衰退等因素对过程所产生的影响,对间歇过程的经济性能问题进行研究,充分挖掘经济性能提升的空间,并取得以下成果:1.根据过程干扰对经济性能的贡献将其分为有利干扰和不利干扰,并针对不同类型的干扰采取不同的处理方式,提出了一种基于干扰的选择反馈控制策略。该反馈控制策略直接作用于过程干扰,依据干扰的不同类型选择不同的反馈控制律进行处理。同时,提出一种同时考虑经济性能优化与过程闭环动态的经济集成鲁棒设计,关注经济性能的同时提升控制系统处理过程干扰的鲁棒性。反馈控制策略的最优参数由该经济集成鲁棒设计统一优化获得,可以借助过程干扰提升间歇过程的平均经济性能;2.根据间歇过程的重复特性以及未知过程干扰的存在,提出一种基于迭代学习控制(Iterative Learning Control,ILC)的经济MPC算法,通过逐步学习过程干扰沿批次方向以及时间方向的变化,根据经济性能指标对控制作动加以修改,使得间歇过程运行在实际经济性能更优的操作工况,提升间歇过程的经济性能。基于ILC的经济MPC分为批次间和批次内两个部分,前者学习批次方向过程干扰的重复性以供后续批次参考,后者学习时间方向过程干扰的随机性避免影响后续批次;3.根据间歇过程有限批次运行时间以及过程终端获得产品的特点,提出了一种基于平均经济性能非固定终端时间的经济MPC。该算法将终端时间作为优化变量,使其可以根据过程干扰的变化合理地选择批次运行时间;此外,将平均经济性能作为目标函数,不但考虑单个批次经济获益,同时考虑获益的时间成本,使得单位时间经济收益最高。针对过程出现重大干扰而终端约束不可达或者经济收益无法保证的问题,提出提前终止机制,在线判断,及时停止,减少重大干扰所带来的经济损失;4.根据间歇过程特例——批次到批次(Run-to-Run)过程中存在的过程衰退问题,提出了一种基于衰退的偏最小二乘(Partial Least Square,PLS)建模方法,通过在标准PLS内部模型添加衰退项的方式,同时解决多变量过程耦合问题以及过程衰退建模问题。针对过程衰退引起的最优操作工况偏移的问题,提出经济Run-to-Run控制取代原先的跟踪Run-to-Run控制,随着过程衰退的进行,依据经济性能指标逐步移动操作工况,获得实际最优的经济性能。
【图文】：

根据预测模型和当前测量的状态，在线求解一个有限时域的开环优化问题，将得到逡逑的控制序列的第一个元素作用于被控对象，并在下一采样时刻重复上述过程［２１］。这段描逡逑述中包含了邋ＭＰＣ的三大要素，，预测模型、滚动优化和反馈校正，其示意图如图１．１所示。逡逑ＭＰＣ作为一种基于模型的控制系统设计方法，其优化问题中的系统模型对系统动态的描逡逑过去Ａ逦未来／预测逡逑？逦？逡逑逦设定值ｒ逡逑一一一逦逡逑一－－一’邋预测状态逡逑闭环输出逦一逡逑ｋ时亥＾测控制序列逡逑ｕ（ｋ）逦！逦１逦１逡逑￣￣｜逦卜＿：＿广丨一逡逑逦逦｜＿ｕ（ｋ＋ｌ）邋Ｉ－－１逡逑闭环输入逦丨１＿＿」逡逑时刻预测控制序列逡逑逦逦？逦＾逡逑ｋ＋１逦ｋ＋Ｍ逦ｋ＋Ｐ逡逑＾邋控制时域Ｍ邋＾逡逑１逦预测时域Ｐ逦１逡逑图１．１模型预测控制示意图逡逑述可以是任意形式的，只要其可以根据当前测量值预测系统未来动态［１３］。在标准ＭＰＣ逡逑中通常采用线性模型，同时也有研究学者根据过程的非线性提出非线性ＭＰＣ邋（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ逡逑３逡逑

逦＾邋ｙ／邋ｊ／ｊ／／逡逑ｘ逡逑图２．２邋ＣＦＣ和ＡＦＣ的控制行为对经济性能影响的对比示意图逡逑很明显，图２．２中，在经济性能有利的一方，Ｃ点才是最优经济性能的点，而在经济逡逑性能不利的一方，Ｄ点才是经济性能最优的点。在传统控制中，所有导致偏离设定工况的逡逑干扰对系统的影响都应该被消除或减弱这样的理念是采用ＣＦＣ算法最令人信服的理由。逡逑因此，反而言之，如果希望尽可能高的提升经济性能，很有必要针对不同类型的干扰采用逡逑不同的措施。对有利与不利干扰分别采用两种反馈控制参数可将平均操作工况从原先的逡逑标称值移向具有更优经济性能的操作工况（ｘａｖｇ，ｕａｖｇ），如图２．２中蓝色圆点所示。本章提逡逑出一种针对过程干扰的ＡＦＣ算法，其中一组ＡＦＣ的控制参数用来充分利用有利干扰而另逡逑一组ＡＦＣ的控制参数用来抑制不利干扰。逡逑２．４基于干扰选择反馈控制的经济集成鲁棒设计逡逑２．４．１基于干扰的反馈控制策略逡逑在先前的研究工作中，基于误差的反馈控制就是如式（２．１４）所示。已知实际状态和标逡逑称状态之间的误差化⑷，相应的输入变化如⑷可以通过乘以反馈增益矩阵Ｋ⑷计算获逡逑得。从跟踪的角度看，基于误差的反馈控制算法直接作用在偏差上，所以其在跟踪问题体逡逑系中是合理的。将式（２．１４）带入式（２．７）中可得如下等式：逡逑５ｎ｛ｔ）邋＝邋Ｋ（ｔ）邋［Ａ（ｔ邋－邋＼）５ｘ｛ｔ邋－邋１）邋＋邋Ｂｕ（ｔ邋－邋ｌ）５ｕ（ｔ邋－邋１）邋＋邋Ｂｄ｛ｔ
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273

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