CN110058527A - 一种工业过程无穷时域优化先进控制方法 - Google Patents

一种工业过程无穷时域优化先进控制方法 Download PDF

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张日东
王璟琳
朱永治
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

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Abstract

本发明公开了一种工业过程无穷时域优化先进控制方法，包括如下步骤：步骤1、扩展二维切换系统模型的建立；步骤2、设计系统无穷时域优化过程控制器。本发明通过数据采集、模型建立、预测机理、优化等手段，提出了一种工业过程无穷时域优化先进控制，该方法可有效提高系统的控制性能。

Description

一种工业过程无穷时域优化先进控制方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域，涉及一种工业过程无穷时域优化先进控制方法。
背景技术
在实际工业生产过程中，提炼油化工过程控制具有给定值最佳跟踪的优良性能，该性能保证了产品生产的一致性。但是实际的提炼油化工过程中，往往会遇到执行器失效的情况，执行器一旦失效，受控对象的快速性、准确性、稳定性都将受到极大影响。现有的二维系统模型中的提炼油化工过程鲁棒控制技术虽然能够有效地处理不确定性问题，但是在执行器失效的情况下，无法解决系统中的状态偏差问题，这些偏差问题将会对系统的持续稳定运行、系统控制性能产生不利影响，甚至影响产品质量。因此提出一种更加有效的处理执行器失效的方法是有必要的。
发明内容
本发明的目的是更好的处理提炼油化工过程中执行器失效的问题，进而提出了一种工业过程无穷时域优化先进控制方法。该方法首先将模型转化为新的状态空间模型，其次，建立包含状态误差和输出跟踪误差的等效扩展二维切换系统模型；然后，通过引入目标函数，设计了能够抵抗部分执行器故障的控制器；最后，根据时间方向和批量方向的收敛指标，设计了各阶段的最小运行时间。这种工业过程无穷时域优化先进控制方法不仅解决了执行器失效的问题，而且使得受控对象的快速性、准确性、稳定性都得到了极大的提升。
本发明方法的步骤包括：
步骤1、扩展二维切换系统模型的建立，具体步骤是：
1.1首先考虑具有延迟作用的系统过程状态空间模型，模型如下：
其中，i为阶段，t为时刻，k是批次，d是时滞，xi(t,k),yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态、输出，xi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态ui(t-d,k)表示第i阶段第k批次t-d时刻的输入，分别表示系统第i阶段的状态、输入和输出的对应的系数矩阵。
1.2将步骤1.1中的过程模型进一步处理成如下状态空间模型形式：
其中，
T是矩阵的转置符号，ui(t,k)，yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态空间模型下的状态、输入、输出，表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态空间模型下的状态；
ui(t-1,k)T，ui(t-2,k)T，…ui(t-d,k)T分别表示第i阶段第k批次t-1，t-2,...t-d时刻的状态空间模型下的输入。
1.3定义系统过程中的状态误差和输出跟踪误差为：
其中，表示第i阶段第k批次t时刻系统状态误差，ei(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的输出跟踪误差，表示第i阶段第k-1批次t时刻状态，表示第i阶段第k批次t+1时刻参考轨迹输出，yi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻实际输出。
1.4根据步骤1.2和1.3，可以得到扩展二维切换系统模型如下：
其中，Zi(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻扩展二维切换系统模型的状态，ei(t+1,k-1)表示第i阶段第k-1批次t+1时刻的输出跟踪误差，ri(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻的更新律。
步骤2、设计系统无穷时域优化过程控制器，具体步骤是：
2.1对于一个扩展二维切换系统模型的描述，迭代学习控制律应具有以下一般形式：
其中，ui(t,0)＝0表示迭代的初始值，ui(t,k-1)表示第i阶段第k-1批次t时刻的输入。
2.2确定扩展二维切换系统模型的目标函数，如下所示：
其中，Qi，Ri分别表示状态的加权矩阵和输入加权矩阵，Ji表示扩展二维切换系统模型的目标函数。
2.3根据步骤2.2，可以求得更新律如下所示：
其中，Ii表示适当维数的单位矩阵，表示控制增益。
2.4根据步骤2.3以及李雅普诺夫稳定性的知识，可以得出：
2.5根据步骤2.1到步骤2.4，得到一种工业过程无穷时域优化先进控制的控制量：
2.6根据步骤2.1到步骤2.5，依次循环求解基于一种工业过程无穷时域优化先进控制的控制量ui(t,k)，再将其作用于被控对象。
本发明的技术方案是通过数据采集、模型建立、预测机理、优化等手段，提出了一种工业过程无穷时域优化先进控制，该方法可有效提高系统的控制性能。
具体实施方式
以实际过程中一种提炼油化工过程中常减压蒸馏反应器压力的控制为例：
由提炼油化工过程反应器模型出发，通过调节提炼油化工过程常减压蒸馏控制器的阀门开度，从而实现对提炼油化工过程中常减压蒸馏反应器压力的控制。
步骤1、扩展的二维切换常减压蒸馏提炼油化工过程模型的建立，具体步骤是：
1.1首先考虑具有延迟作用的常减压蒸馏提炼油化工过程，模型如下：
其中，i为阶段，t为时刻，k是批次，d是时滞，xi(t,k),yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态、常减压蒸馏反应器的压力，xi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态ui(t-d,k)表示第i阶段第k批次t-d时刻的阀门的开度，分别表示系统第i阶段的状态、阀门的开度和常减压蒸馏反应器的压力对应的系数矩阵。
1.2将步骤1.1中的常减压蒸馏提炼油化工过程模型进一步处理成如下的状态空间模型：
其中，
T是矩阵的转置符号，ui(t,k)，yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态空间模型下的状态、阀门的开度和常减压蒸馏反应器的压力，表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态空间模型下的状态，ui(t-1,k)T，ui(t-2,k)T，…ui(t-d,k)T分别表示第i阶段第k批次t-1，t-2,...t-d时刻的状态空间模型下的阀门的开度。
1.3定义相邻常减压蒸馏提炼油化工过程中常减压蒸馏提炼油化工过程的状态误差和输出跟踪误差为：
其中，表示第i阶段第k批次t时刻系统状态误差，ei(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的常减压蒸馏反应器压力的跟踪误差，表示第i阶段第k-1批次t时刻状态，表示第i阶段第k批次t+1时刻参考轨迹的常减压蒸馏反应器压力，yi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻实际常减压蒸馏反应器的压力。
1.4根据步骤1.2和1.3，可以得到扩展二维切换常减压蒸馏提炼油化工过程模型如下：
其中，Zi(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻扩展二维切换系统模型的状态，ei(t+1,k-1)表示第i阶段第k-1批次t+1时刻的常减压蒸馏反应器的压力跟踪误差，ri(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻的更新律。
步骤2、设计常减压蒸馏提炼油化工过程控制器，具体步骤是：
2.1对于一个扩展二维切换常减压蒸馏提炼油化工过程模型的描述，迭代学习控制律应具有以下一般形式：
其中，ui(t,0)＝0表示迭代的初始值，ui(t,k-1)表示第i阶段第k-1批次t时刻的输入。
2.2确定扩展二维切换常减压蒸馏提炼油化工过程模型的目标函数，如下所示：
其中，Qi，Ri分别表示状态的加权矩阵和阀门开度加权矩阵，Ji表示扩展二维切换提炼油化工过程模型的目标函数。
2.3根据步骤2.2，可以求得更新律如下所示：
其中，Ii表示适当维数的单位矩阵，表示控制增益。
2.4根据步骤2.3以及李雅普诺夫稳定性的知识，可以得出：
2.5根据步骤2.1到步骤2.4，得到一种工业过程无穷时域优化先进控制的控制量：
2.6根据步骤2.1到步骤2.5，依次循环求解基于一种工业过程无穷时域优化先进控制的控制量ui(t,k)，再将其作用于被控对象。

Claims (3)

1.一种工业过程无穷时域优化先进控制方法，包括如下步骤：
步骤1、扩展二维切换系统模型的建立；
步骤2、设计系统无穷时域优化过程控制器。
2.如权利要求1所述的工业过程无穷时域优化先进控制方法，其特征在于：
所述步骤1具体如下：
1.1首先考虑具有延迟作用的系统过程状态空间模型，模型如下：
其中，i为阶段，t为时刻，k是批次，d是时滞，xi(t,k),yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态、输出，xi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态ui(t-d,k)表示第i阶段第k批次t-d时刻的输入，分别表示系统第i阶段的状态、输入和输出的对应的系数矩阵；
1.2将步骤1.1中的过程模型进一步处理成如下状态空间模型形式：
其中，
T是矩阵的转置符号，ui(t,k)，yi(t,k)分别表示第i阶段第k批次t时刻的状态空间模型下的状态、输入、输出，表示第i阶段第k批次t+1时刻的状态空间模型下的状态，ui(t-1,k)T，ui(t-2,k)T，…ui(t-d,k)T分别表示第i阶段第k批次t-1，t-2,...t-d时刻的状态空间模型下的输入；
1.3定义系统过程中的状态误差和输出跟踪误差为：
其中，表示第i阶段第k批次t时刻系统状态误差，ei(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻的输出跟踪误差，表示第i阶段第k-1批次t时刻状态，表示第i阶段第k批次t+1时刻参考轨迹输出，yi(t+1,k)表示第i阶段第k批次t+1时刻实际输出；
1.4根据步骤1.2和1.3，可以得到扩展二维切换系统模型如下：
其中，Zi(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻扩展二维切换系统模型的状态，ei(t+1,k-1)表示第i阶段第k-1批次t+1时刻的输出跟踪误差，ri(t,k)表示第i阶段第k批次t时刻的更新律。
3.如权利要求2所述的工业过程无穷时域优化先进控制方法，其特征在于：
所述步骤2具体如下：
2.1对于一个扩展二维切换系统模型的描述，迭代学习控制律应具有以下一般形式：
其中，ui(t,0)＝0表示迭代的初始值，ui(t,k-1)表示第i阶段第k-1批次t时刻的输入；
2.2确定扩展二维切换系统模型的目标函数，如下所示：
其中，Qi，Ri分别表示状态的加权矩阵和输入加权矩阵，Ji表示扩展二维切换系统模型的目标函数；
2.3根据步骤2.2，可以求得更新律如下所示：
其中，Ii表示适当维数的单位矩阵，表示控制增益；
2.4根据步骤2.3以及李雅普诺夫稳定性得出：
2.5根据步骤2.1到步骤2.4，得到控制量：
2.6根据步骤2.1到步骤2.5，依次循环求解控制量ui(t,k)，再将其作用于被控对象。
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