一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統，該系統由間歇反應器本體、間歇反應器端的液相流量計、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室進料速率顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門構成。控制室工程師指定生產過程持續時間和進料速率控制要求后，DCS得到使目標產品產量最大化的進料速率控制策略并轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給流量控制閥門端的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令相應動作，液相流量計實時采集反應器進料速率并回送給DCS，使控制室工程師隨時掌握生產過程。本發明專利技術能夠最大化間歇反應器中目標產品的產量，實現挖潛增效。

【技術實現步驟摘要】
一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統
本專利技術涉及反應器控制領域，主要是一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統。該系統能夠對間歇反應器進料速率進行自動最優控制，以提高目標產品的產量。
技術介紹
間歇反應器，廣泛應用于石油化工、生物醫藥、生命健康等領域。在實際生產中，當物料初始濃度、生產時間等因素確定后，影響產品產量的最關鍵因素就是底物進料速率。由于不同產品的生產工藝要求不同，所以按生產工藝要求對間歇反應器自動地進行進料速率最優控制具有重要意義。當前國內間歇反應器的控制方法中很少采用最優控制理論及對應方法，控制器中的參數往往憑已有經驗設定。采用最優控制方法后，間歇反應器中目標產品的產量可以進一步提高，實現挖潛增效。
技術實現思路
為了提高間歇反應器中目標產品的產量，本專利技術提供了一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統，該系統借助DCS作為最優控制方法的實現載體。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統，能夠對間歇反應器進料速率進行自動最優控制，以提高目標產品的產量。其特征在于：由間歇反應器本體、間歇反應器端的液相流量計、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室進料速率顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門構成。所述系統的運行過程包括：步驟A1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及進料速率控制要求；步驟A2：DCS執行內部的自適應優化控制網格最優控制方法，計算出使目標產品產量最大化的進料速率控制策略；步驟A3：DCS將得到的進料速率控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相應動作；步驟A4：間歇反應器端的液相流量計實時采集間歇反應器進料速率，經過模數轉換器后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使控制室工程師隨時掌握生產過程。所述的DCS，包括信息采集模塊、初始化模塊、約束條件處理模塊、控制向量參數化模塊、非線性規劃(NonlinearProgramming，NLP)問題求解模塊、終止條件判斷模塊、自適應控制網格劃分模塊、時間尺度轉換模塊、控制指令輸出模塊。間歇反應器中目標產品的生產過程可以描述為：其中t表示時間，t0表示生產過程開始時間，tf表示生產過程結束時間；x(t)＝[x1(t),x2(t),...,被稱為狀態變量，表示間歇反應器中物料濃度或相關參數，x0是其初始值，是其一階導數；u(t)表示間歇反應器的進料速率，ul、uu分別為其下限值和上限值；是根據物料守恒、能量守恒建立的微分方程組；是生產過程中對物料濃度或相關參數、進料速率建立的約束條件。假設以Φ[x(tf)]表示目標產品的最終產量，則使該產品產量最大化的數學模型可表示為：其中J[u(t)]表示控制目標，由進料速率u(t)決定。該問題本質上是一個最優控制問題。本專利技術解決該問題所采用的技術方案是：在DCS中集成了自適應優化控制網格最優控制方法，并以此為基礎構建了一套最優控制系統。所述控制系統的結構包括間歇反應器本體、間歇反應器端的液相流量計、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室進料速率顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門。所述系統的運行過程如下：步驟C1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及進料速率控制要求；步驟C2：DCS執行內部的自適應優化控制網格最優控制方法，計算出使目標產品產量最大化的進料速率控制策略；步驟C3：DCS將得到的進料速率控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相應動作；步驟C4：間歇反應器端的液相流量計實時采集間歇反應器進料速率，經過模數轉換器后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使控制室工程師隨時掌握生產過程。集成了自適應優化控制網格最優控制方法的DCS是本專利技術的核心，其內部包括信息采集模塊、初始化模塊、約束條件處理模塊、控制向量參數化模塊、非線性規劃(NonlinearProgramming，NLP)問題求解模塊、終止條件判斷模塊、自適應控制網格劃分模塊、時間尺度轉換模塊、控制指令輸出模塊。信息采集模塊包括生產過程持續時間采集、進料速率控制要求采集兩個子模塊。約束條件處理模塊用于處理數學模型(2)中的約束條件可將數學模型(2)轉換為：ul≤u(t)≤uut0≤t≤tf其中，Gi(i＝1,2,...,ng)為的第i個分量，ρ≥0為懲罰因子，δ＞0為光滑因子，并且引入新的狀態變量令其滿足進而數學模型(3)可轉化為：ul≤u(t)≤uut0≤t≤tf其中，為增廣的狀態變量，為其初始值，為增廣的微分方程組。控制向量參數化模塊采用分段常量策略來實現進料速率控制，具體如下：假設整個控制時域[t0,tf]被劃分為p(p＞0)個控制子區間[tk-1,tk)(k＝1,2,...,p)，并且t0＜t1＜…＜tp-1＜tp＝tf(7)這樣，u(t)可表示為：其中，為常數，表示u(t)在控制子區間[tk-1,tk)內的參數值，χk(t)為單位開關函數，其定義如下：從而，進料速率控制參數可由向量表示。NLP問題求解模塊包括序列二次規劃(SequentialQuadraticProgramming，SQP)求解、聯立微分方程組求解兩個子模塊。聯立微分方程組包括方程組和方程組其中，利用四階Runge-Kutta算法求解聯立微分方程組(10)、(11)，可以得到數學模型(6)的目標函數值以及目標函數對控制參數向量的一階梯度信息：自適應控制網格劃分模塊提供了一種自適應劃分控制網格的策略，具體如下：首先利用快速小波變換(FastWaveletTransformation，FWT)將控制向量參數化模塊處理過的u(t)轉換到小波域，即可得到其中，為小波系數列向量，為小波函數列向量，Λl是一個(j,k)對集合，被稱為小波索引集合。假設經過第l次迭代獲得最優解如果其中的小波系數滿足|d*l|＜εe(16)其中，εe＞0為給定閾值，則該小波系數可被忽略。所被消除的小波函數的索引用集合來表示。定義小波函數ψj,k-1、ψj,k+1為小波函數ψj,k的水平相鄰函數，ψj+1,2k、ψj+1,2k+1為其垂直相鄰函數。如果某一小波函數至少有一個相鄰函數的小波系數為零，則其被稱為邊界小波函數。所有邊界小波系數由表示。選擇最少數目的邊界小波函數使其系數滿足其中，εi∈(0,1]表示給定的選擇百分比。這樣，小波函數的垂直鄰域函數可被視為下一次迭代中的潛在小波函數，其索引用集合表示。最終得到下一次迭代的小波索引集合為：即將當前小波索引集合與下一次迭代潛在的集合合并，同時除去所消除的小波索引。這樣，與集合Λl+1相對應的時間網格就是所得到的更合適的控制網格Δl+1，將在下一次迭代中被應用。時間尺度轉換模塊是將當前數學模型(6)轉換到一個新的時間尺度上，以便于對自適應控制網格劃分模塊得到的控制網格進行優化，具體如下：選擇邊界小波中最少數目的組成部分使得其中，εs∈(0,1]為給定的選擇比例。這樣，小波函數的垂直鄰域函數可被認為是重要的。重要垂直鄰域函數所對應的時域即為需要優化的重要控制子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統，能夠對間歇反應器進料速率進行自動最優控制，以提高目標產品的產量。其特征在于：由間歇反應器本體、間歇反應器端的液相流量計、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室進料速率顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門構成。所述系統的運行過程包括：步驟A1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及進料速率控制要求；步驟A2：DCS執行內部的自適應優化控制網格最優控制方法，計算出使目標產品產量最大化的進料速率控制策略；步驟A3：DCS將得到的進料速率控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相應動作；步驟A4：間歇反應器端的液相流量計實時采集間歇反應器進料速率，經過模數轉換器后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使控制室工程師隨時掌握生產過程。所述的DCS，包括信息采集模塊、初始化模塊、約束條件處理模塊、控制向量參數化模塊、非線性規劃(Nonlinear?Programming，NLP)問題求解模塊、終止條件判斷模塊、自適應控制網格劃分模塊、時間尺度轉換模塊、控制指令輸出模塊。間歇反應器中目標產品的生產過程可以描述為：...

【技術特征摘要】
1.一種基于自適應優化控制網格的間歇反應器最優控制系統，能夠對間歇反應器進料速率進行自動最優控制，以提高目標產品的產量。其特征在于：由間歇反應器本體、間歇反應器端的液相流量計、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室進料速率顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門構成。所述系統的運行過程包括：步驟A1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及進料速率控制要求；步驟A2：DCS執行內部的自適應優化控制網格最優控制方法，計算出使目標產品產量最大化的進料速率控制策略；步驟A3：DCS將得到的進料速率控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相應動作；步驟A4：間歇反應器端的液相流量計實時采集間歇反應器進料速率，經過模數轉換器后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使控制室工程師隨時掌握生產過程。所述的DCS，包括信息采集模塊、初始化模塊、約束條件處理模塊、控制向量參數化模塊、非線性規劃(NonlinearProgramming，NLP)問題求解模塊、終止條件判斷模塊、自適應控制網格劃分模塊、時間尺度轉換模塊、控制指令輸出模塊。間歇反應器中目標產品的生產過程可以描述為：其中t表示時間，t0表示生產過程開始時間，tf表示生產過程結束時間；被稱為狀態變量，表示間歇反應器中物料濃度或相關參數，x0是其初始值，是其一階導數；u(t)表示間歇反應器的進料速率，ul、uu分別為其下限值和上限值；是根據物料守恒、能量守恒建立的微分方程組；是生產過程中對物料濃度或相關參數、進料速率建立的約束條件。nx,ng分別是狀態變量和約束的數量。假設以Φ[x(tf)]表示目標產品的最終產量，則使該產品產量最大化的數學模型可表示為：其中J[u(t)]表示控制目標，由進料速率u(t)決定。信息采集模塊包括生產過程持續時間采集、進料速率控制要求采集兩個子模塊。約束條件處理模塊用于處理數學模型(2)中的約束條件可將數學模型轉換為：其中，的第i個分量，ρ≥0為懲罰因子，δ＞0為光滑因子，并且引入新的狀態變量令其滿足進而數學模型(3)可轉化為：其中，為增廣的狀態變量，為其初始值，為增廣的微分方程組。控制向量參數化模塊采用分段常量策略來實現進料速率控制，具體如下：假設整個控制時域[t0,tf]被劃分為p(p＞0)個控制子區間[tk-1,tk)(k＝1,2,...,p)，并且t0＜t1＜…＜tp-1＜tp＝tf(7)這樣，u(t)可表示為：其中，為常數，表示u(t)在控制子區間[tk-1,tk)內的參數值，χk(t)為單位開關函數，其定義如下：從而，進料速率控制參數可由向量表示。NLP問題求解模塊包括序列二次規劃(SequentialQuadraticProgramming，SQP)求解、聯立微分方程組求解兩個子模塊。聯立微分方程組包括方程組和方程組其中，利用四階Runge-K...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉興高，李國棟，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江,33