基于双层优化策略的过程工艺与控制系统集成设计方法研究

摘要

在实际工业过程中，一般采用分步序贯设计方法来实现化工过程的优化设计，即将过程工艺设计与控制系统设计分别置于两个独立的阶段依次实现。首先基于过程的稳态模型，通过稳态优化方法确定最佳工艺参数;然后以此作为被控对象，设计相应的控制系统，以确保过程满足动态控制性能的要求。但是，分步序贯设计方法忽略了工艺设计与过程动态性能之间的内在联系，并不能确保所设计的过程达到经济性能和动态控制性能的整体最优。研究表明，有必要在工艺设计的初始阶段考虑过程的动态控制性能优化，对过程工艺与控制系统进行集成设计。近年来，化工过程工艺与控制系统的集成设计研究越来越受到国内外工艺设计和过程控制领域研究人员的重视，与传统的分步序贯设计相比，集成设计可获得经济性能和动态性能更优的化工过程。
　　本文以连续搅拌釜式反应器(CSTR)作为开展过程工艺与控制系统集成设计方法研究的对象，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文献，从集成设计问题的求解方法，集成设计常用的控制策略，以及CSTR过程工艺与控制系统集成设计等三个方面对该领域的研究现状和技术发展进行了全面总结和分析。
　　(2)采用双层优化思想，构造了一种基于双层优化策略的过程工艺与控制系统集成设计的结构框架，外层优化应用动态优化算法获得过程工艺设计参数，内层优化应用最优控制策略对外层工艺优化的结果进行动态性能的评估，获得满足过程动态控制性能要求的控制器参数。进而，通过内外两层优化问题之间的反复迭代优化，得到最优的过程工艺设计参数和控制器参数。分别将常规PI控制器和线性二次型调节器LQR嵌入该双层优化框架，以CSTR为过程对象，考察该集成设计方法的有效性。研究结果表明，与序贯设计方法相比，由集成设计方法得到的化工过程具有更好的经济性能和过程动态控制性能。
　　(3)由于工业过程中广泛采用先进控制与常规控制分层递阶控制结构，在基于双层优化策略的集成设计方法研究基础上，充分考虑外界干扰和系统不确定性，提出了一种基于分层递阶控制策略的过程工艺与控制系统集成设计方法。在控制决策优化层，将设计对象和常规控制器构成广义对象，并将其作为LQR的被控对象，构造了一种LQR-PI分层递阶控制结构，来实现对过程动态控制性能的评估;而在设计决策优化层，同时考虑外界干扰和系统不确定性，将设计决策优化问题转化为多周期优化问题。最终求解得到合理的工艺设计参数与控制器参数，进一步确保了所设计的过程在外界干扰和系统不确定性下的经济性能和可操作性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 本文研究的主要内容及结构安排

第二章 过程工艺与控制系统集成设计研究进展

2．1 引言

2．2 过程工艺与控制系统集成设计问题的求解方法

2．2．1 基于可控性指标的方法

2．2．2 动态规划方法

2．2．3 鲁棒方法

2．2．4 嵌入式控制优化方法

2．3 过程工艺与控制系统集成设计问题中常用的控制策略

2．3．1 常规控制策略

2．3．2 先进控制策略

2．4 CSTR过程工艺与控制系统集成设计研究现状

2．5 本章小结

第三章 基于双层优化策略的过程工艺与控制系统集成设计方法

3．1 引言

3．2 过程工艺与控制系统常规集成设计方法

3．3 基于双层优化策略的过程工艺与控制系统集成设计方法

3．3．1 方法的基本构架

3．3．2 过程工艺与PI控制集成设计

3．3．3 过程工艺与LQR控制集成设计

3．4 案例研究结果与分析

3．4．1 CSTR过程工艺与PI控制集成设计结果分析

3．4．2 CSTR过程工艺与LQR控制集成设计结果分析

3．5 本章小结

第四章 基于分层递阶控制策略的过程工艺与控制系统集成设计研究

4．1 引言

4．2 工业过程分层递阶控制结构

4．3 考虑不确定性因素的集成优化设计框架

4．4 过程工艺和控制系统的决策优化

4．5 柔性检验方法

4．6 案例研究结果与分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢