基于預(yù)測(cè)控制的先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)研究.pdf

1、以模型預(yù)測(cè)控制MPC(Model Predictive Control)策略為代表的現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)ACT(Advanced Control Technology)是流程工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域一項(xiàng)新興的、應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。它從考慮使生產(chǎn)企業(yè)獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā),采用分層式控制結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化操作,為過(guò)程工業(yè)界提供了一種以經(jīng)濟(jì)性能和控制質(zhì)量相結(jié)合的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的新方法。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有過(guò)程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行精確辨識(shí)后,在裝置中采用可

2、以實(shí)現(xiàn)裝置的整體優(yōu)化控制的MPC策略,使生產(chǎn)企業(yè)能以最優(yōu)化的方式運(yùn)行并獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益,找到挖掘提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)潛能的最佳途徑,為提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力提供科學(xué)的生產(chǎn)決策依據(jù)。此外,ACT可以智能地利用過(guò)程系統(tǒng)信息和管理信息實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化控制。結(jié)合反映經(jīng)濟(jì)性能的測(cè)評(píng)指標(biāo)和結(jié)果,即使是非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、大時(shí)滯這樣的過(guò)程系統(tǒng),也可以在保證最大經(jīng)濟(jì)收益與優(yōu)化操作性能指標(biāo)的前提下,設(shè)計(jì)和實(shí)施性能優(yōu)越的控制策略,維護(hù)工業(yè)過(guò)程高品質(zhì)運(yùn)行。
　　 MP

3、C是基于反映過(guò)程動(dòng)態(tài)行為和信息的過(guò)程模型的控制策略,需要建立被控制過(guò)程的性能目標(biāo)函數(shù)和反映過(guò)程安全運(yùn)行、滿(mǎn)足環(huán)境立法所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵變量的操作約束范圍。采用收縮域優(yōu)化控制的方法來(lái)求解過(guò)程工作在優(yōu)化模式下的控制量?；陬A(yù)測(cè)控制的先進(jìn)控制策略的實(shí)施涉及到過(guò)程模型辨識(shí)、參數(shù)估計(jì)、性能目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建、摔制性能評(píng)估、數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù),是當(dāng)今過(guò)程工業(yè)界和控制界最受關(guān)注的研究方向之一。本論文結(jié)合當(dāng)前基于MPC的ACT理論

4、研究和國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用現(xiàn)狀,分別展開(kāi)了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　 (1)針對(duì)在采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)非線(xiàn)性過(guò)程動(dòng)態(tài)行為的非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制NMPC(Nonlinear model predictive control)算法中,滾動(dòng)優(yōu)化因低效率的優(yōu)化算法造成的模型預(yù)測(cè)不精確、控制實(shí)時(shí)性差和控制質(zhì)量下降的問(wèn)題,提出了一種基于改進(jìn)微分進(jìn)化MDE(Modified Differential Evolution)法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、ANN(Artificial Neural Network)模型NMPC策略。該策略的設(shè)計(jì)與實(shí)施分為四個(gè)部分:首先采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)預(yù)測(cè)控制中的預(yù)測(cè)非線(xiàn)性模型進(jìn)行建模;對(duì)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用MDE這一高效的優(yōu)化算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行在線(xiàn)自適應(yīng)計(jì)算,以提高模型的在線(xiàn)預(yù)測(cè)能力:將該模型應(yīng)用到預(yù)測(cè)控制算法的目標(biāo)函數(shù)中,在收縮域的窗口中,使非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制算法中優(yōu)化的增量式控制量的計(jì)算更為精確;最后將該方法應(yīng)用到蒸餾塔這樣一個(gè)高非線(xiàn)性化工過(guò)程的控

6、制中,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　 (2)針對(duì)預(yù)測(cè)控制在實(shí)施精確跟蹤設(shè)定值的控制策略中時(shí),因不確定擾動(dòng)和噪音的影響所導(dǎo)致魯棒性能下降的問(wèn)題,提出一種基于自適應(yīng)目標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)的區(qū)域模型預(yù)測(cè)控制ZMPC(Zone model Predictive Control)策略。利用加權(quán)系數(shù)具有懲罰(抑制)偏差和調(diào)節(jié)過(guò)激這一特點(diǎn),在過(guò)程存在不確定擾動(dòng)時(shí),在每一個(gè)采樣周期內(nèi),控制器根據(jù)輸出量偏差的大小自適應(yīng)地調(diào)節(jié)目標(biāo)函數(shù)中變量權(quán)值的松

7、弛系數(shù),實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵被控制量的魯棒區(qū)域預(yù)測(cè)控制方法,將其精確地控制在與產(chǎn)品規(guī)格對(duì)應(yīng)的約束區(qū)域內(nèi),而不是常規(guī)的設(shè)定值跟蹤控制。該方法在系統(tǒng)存在不確定擾動(dòng)或是存在不確定時(shí)變參數(shù)時(shí),可達(dá)到實(shí)現(xiàn)提高預(yù)測(cè)控制的魯棒性能和穩(wěn)定性能目的。事例驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　 (3)針對(duì)分布式預(yù)測(cè)控制DMPC(Distributed MPC)中,控制性能會(huì)因未充分考慮子過(guò)程間重要通道的相互作用行為,以及子預(yù)測(cè)控制器間通訊機(jī)制的不確定性而造成的整體控制性

8、能下降的問(wèn)題,提出了一種基于概率密度函數(shù)PDF(Probability density function)協(xié)調(diào)原則的多預(yù)測(cè)控制器協(xié)調(diào)方法。該方法的實(shí)現(xiàn)分為四個(gè)部分:RTO層計(jì)算出過(guò)程關(guān)鍵變量的設(shè)定值送到下層的MPC層;MPC層根據(jù)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)行為計(jì)算出優(yōu)化的控制量,但由于每個(gè)予控制器因忽略了關(guān)鍵的子過(guò)程間的動(dòng)態(tài)耦合行為,導(dǎo)致了計(jì)算出來(lái)的控制量不是全局最優(yōu);將這些控制量送入到協(xié)調(diào)層中進(jìn)行PDF協(xié)調(diào)后再送到下層的MPC層進(jìn)行執(zhí)行,進(jìn)而減小

9、非全局最優(yōu)控制量對(duì)控制性能的影響。兩個(gè)事例仿真表明該方法的有效性。
　　 (4)針對(duì)大型復(fù)雜過(guò)程因市場(chǎng)行為導(dǎo)致的原材料等生產(chǎn)要素的價(jià)格發(fā)生頻繁變化時(shí)不能及時(shí)保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能最佳這一問(wèn)題,提出一種基于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化DRTO(Dynamic Rcal Time Optimization)的多層預(yù)測(cè)控制的先進(jìn)控制策略。上層的DRTO層不是常規(guī)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化機(jī)制,而是動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)制。即在結(jié)合企業(yè)計(jì)劃、調(diào)度等信息的過(guò)程優(yōu)化操作不再是常規(guī)