基于鲁棒模型的过程工艺与控制集成设计方法研究

发布时间：2017-04-30 15:03

  本文关键词：基于鲁棒模型的过程工艺与控制集成设计方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在实际的化工过程中,过程的工艺设计和控制方案设计一般采用分步序贯设计方法来实现,即首先根据成本最优准则,设计获得基于稳态过程模型的最佳过程工艺参数,再根据稳态工艺条件设计控制系统的被控变量及操作变量以及相应的控制算法。这种设计方法有利于降低计算难度、减少计算量,但是却割裂了工艺设计与控制器设计之间存在的内在联系。由于采用序贯设计法进行工艺设计时所预留的弹性区间没有一个很好的衡量标准,因此,对于非线性较强的过程,基于稳态优化获得的工艺参数与后续的控制器设计不能很好地匹配,有时甚至会导致过程的控制质量低下。考虑到序贯设计法的不足,逐渐将目光转移到了工艺与控制的集成设计领域。相关研究表明,在工艺设计的同时考虑过程控制器的设计能获得较优甚至全局最优的经济性能和动态性能。本文以化工过程中常见的连续搅拌釜式反应器(CSTR)作为研究对象,开展过程工艺与控制系统集成设计方法研究,主要工作如下:(1)通过查阅大量有关过程工艺与控制系统集成设计方法研究的国内外文献,对过程工艺与控制系统集成设计问题的研究框架、集成设计框架中扰动和不确定性的处理方法以及集成设计问题的求解方法等进行了一个总结与分析;并结合研究对象,对描述非线性过程的不确定性鲁棒模型的相关理论进行了综述。(2)研究了基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成优化设计方法,该方法的核心思想是将闭环过程的非线性行为辨识成不确定性状态空间模型,然后基于该鲁棒模型利用二次李雅普诺夫函数(QLF)来保证闭环过程的渐近稳定性,同时也可以利用线性矩阵不等式(LMI)来获得该闭环过程在外部扰动情况下过程变量的最坏输出情况。最后将整个集成设计问题由动态优化问题转变成一个带约束的非线性规划问题。将该集成设计方法用于CSTR反应器工艺和控制系统设计,研究结果表明,与一般的基于动态优化的过程工艺与控制系统集成设计方法相比,其计算难度大大降低,能够获得经济性能与动态性能更优的化工过程。(3)针对工业过程中广泛采用先进控制/常规控制分层递阶控制结构实际情况,即在底层采用常规控制(PID)快速抑制进入系统的干扰,上层采用先进控制(APC)获得优良的跟踪性和鲁棒性。在基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成设计方法研究基础上,提出了一种基于先进控制/常规控制的分层递阶控制策略的过程工艺与控制系统集成设计方法。通过在集成设计框架中引入LQR-PI分层控制策略来提高过程的动态性能,从而减小由于预设特定扰动形式及利用鲁棒模型求解过程输出最坏情况时给整个设计结果带来的保守性。首先,将被控对象和常规PI控制器构成广义对象,并将其作为先进控制层的被控对象,构造一种LQR-PI分层递阶控制结构。然后在存在外部时变扰动及参数不确定条件下,将LQR先进控制器与广义对象组成的闭环过程辨识成带有不确定性参数的鲁棒模型。最终通过求解一个非线性规划问题得到集成设计的最优工艺设计与控制器参数,该方法同样应用于CSTR过程,结果证明了方法的有效性。
【关键词】：工艺 鲁棒模型 集成设计 控制 连续搅拌釜式反应器
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ02;TP273
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 选题背景及意义12-16
• 1.2 本文研究的主要内容及结构安排16-20
• 第二章 过程工艺与控制系统集成设计文献综述20-40
• 2.1 引言20-22
• 2.2 过程工艺与控制系统集成设计研究范围22-25
• 2.2.1 集成设计框架中的优化变量及控制策略23-24
• 2.2.2 集成设计应用范围24-25
• 2.3 集成设计框架中扰动及不确定性处理方法25-27
• 2.3.1 扰动的处理方法25-26
• 2.3.2 不确定性的处理方法26-27
• 2.4 过程工艺与控制系统集成设计问题的求解方法27-32
• 2.4.1 基于可控性指标的方法27-28
• 2.4.2 动态优化方法28-31
• 2.4.3 基于模型的优化方法31-32
• 2.5 鲁棒模型的相关理论32-37
• 2.5.1 模型不确定性描述33-35
• 2.5.2 线性矩阵不等式35-37
• 2.6 本章小结37-40
• 第三章 基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成设计研究40-58
• 3.1 引言40-41
• 3.2 基于鲁棒模型的过程工艺与控制系统集成设计框架41-42
• 3.3 方法描述42-49
• 3.3.1 鲁棒状态空间模型43-44
• 3.3.2 模型验证44-45
• 3.3.3 闭环过程渐近稳定性45-46
• 3.3.4 过程输出的最大变化46-47
• 3.3.5 过程可行性47
• 3.3.6 求解步骤47-49
• 3.4 案例研究及结果分析49-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第四章 基于鲁棒模型与分层递阶控制策略的过程工艺与控制集成设计研究58-78
• 4.1 引言58
• 4.2 工业过程的分层递阶控制结构58-61
• 4.3 基于鲁棒模型与分层递阶控制策略的集成优化设计框架61-64
• 4.3.1 广义被控对象62
• 4.3.2 鲁棒状态空间模型估计62-63
• 4.3.3 模型及过程约束验证63-64
• 4.4 方法描述64-69
• 4.4.1 集成设计成本函数64
• 4.4.2 过程模型和控制算法64-67
• 4.4.3 过程稳定性及可行性约束67-68
• 4.4.4 集成设计框架求解流程68-69
• 4.5 案例研究及结果分析69-76
• 4.6 本章小结76-78
• 第五章 总结与展望78-82
• 5.1 总结78-79
• 5.2 研究展望79-82
• 参考文献82-88
• 作者简历88-90
• 致谢90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 许锋,罗雄麟;控制与工艺集成优化设计研究进展[J];化工进展;2005年05期

2 周猛飞,蔡亦军,潘海天,夏陆岳,孙小方;聚合反应过程的先进控制及优化[J];石油化工;2003年07期

  本文关键词：基于鲁棒模型的过程工艺与控制集成设计方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：337052