[发明专利]一种基于自适应优化控制网格的活塞流管式反应器最优控制系统

摘要

本发明公开了一种基于自适应优化控制网格的活塞流管式反应器最优控制系统，该系统由活塞流管式反应器本体、活塞流管式反应器端的液相流量计及温度传感器、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室冷却剂流速及反应器温度显示、流量控制阀门端的数模转换器、流量控制阀门构成。指定生产过程持续时间和冷却剂流速控制要求后，DCS得到流速控制策略并转换为流量控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流量控制阀门端的数模转换器，使流量控制阀门根据收到的控制指令相应动作，液相流量计、温度传感器分别实时采集活塞流管式反应器的冷却剂流速、温度并回送给DCS。本发明能够最大化活塞流管式反应器中目标产品的浓度，实现挖潜增效。

主权项

一种基于自适应优化控制网格的活塞流管式反应器最优控制系统，能够对活塞流管式反应器冷却剂流速进行自动最优控制，以提高目标产品的浓度。其特征在于：由活塞流管式反应器本体、活塞流管式反应器端的液相流量计及温度传感器、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室冷却剂流速及反应器温度显示、流量控制阀门端的数模转换器、流量控制阀门构成。所述系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师设定生产过程持续时间以及冷却剂流速控制要求；步骤A2：DCS执行内部的自适应优化控制网格最优控制方法，计算出使目标产品浓度最大化的冷却剂流速控制策略；步骤A3：DCS将得到的冷却剂流速控制策略转换为流量控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给流量控制阀门的数模转换器，使流量控制阀门根据收到的控制指令做出相应动作；步骤A4：活塞流管式反应器端的液相流量计、温度传感器分别实时采集活塞流管式反应器的冷却剂流速、温度，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、约束条件处理模块、控制向量参数化模块、非线性规划(Nonlinear Programming，NLP)问题求解模块、终止条件判断模块、自适应控制网格划分模块、时间尺度转换模块、控制指令输出模块。活塞流管式反应器中目标产品的生产过程可以描述为：其中t表示时间，t0表示生产过程开始时间，tf表示生产过程结束时间；被称为状态变量，表示活塞流管式反应器中物料浓度或相关参数，x0是其初始值，是其一阶导数；u(t)表示活塞流管式反应器的冷却剂流速，ul、uu分别为其下限值和上限值；是根据物料守恒、能量守恒建立的微分方程组；是生产过程中对物料浓度或相关参数、冷却剂流速建立的约束条件。nx,ng分别是状态变量和约束的数量。假设以Φ[x(tf)]表示目标产品的最终浓度，则使该产品浓度最大化的数学模型可表示为：其中J[u(t)]表示控制目标，由冷却剂流速u(t)决定。信息采集模块包括生产过程持续时间采集、冷却剂流速控制要求采集两个子模块。约束条件处理模块用于处理数学模型(2)中的约束条件可将模型转换为：其中，Gi(i＝1,2,...,ng)为的第i个分量，ρ≥0为惩罚因子，δ＞0为光滑因子，并且引入新的状态变量令其满足进而数学模型(3)可转化为：其中，为增广的状态变量，为其初始值，为增广的微分方程组。控制向量参数化模块采用分段常量策略来实现冷却剂流速控制，具体如下：假设整个控制时域[t0,tf]被划分为p(p＞0)个控制子区间[tk‑1,tk)(k＝1,2,...,p)，并且t0＜t1＜…＜tp‑1＜tp＝tf     (7)这样，u(t)可表示为：其中，为常数，表示u(t)在控制子区间[tk‑1,tk)内的参数值，χk(t)为单位开关函数，其定义如下：从而，冷却剂流速控制参数可由向量表示。NLP问题求解模块包括序列二次规划(Sequential Quadratic Programming，SQP)求解、联立微分方程组求解两个子模块。联立微分方程组包括方程组(10)和方程组(11)其中，利用四阶Runge‑Kutta算法求解联立微分方程组(10)、(11)，可以得到数学模型(6)的目标函数值以及目标函数对控制参数向量的一阶梯度信息：自适应控制网格划分模块提供了一种自适应划分控制网格的策略，具体如下：首先利用快速小波变换(Fast Wavelet Transformation，FWT)将控制向量参数化模块处理过的u(t)转换到小波域，即可得到其中，为小波系数列向量，为小波函数列向量，Λl是一个(j,k)对集合，被称为小波索引集合。假设经过第l次迭代获得最优解如果其中的小波系数满足|d*l|＜εe    (16)其中，εe＞0为给定阈值，则该小波系数可被忽略。所被消除的小波函数的索引用集合来表示。定义小波函数ψj,k‑1、ψj,k+1为小波函数ψj,k的水平相邻函数，ψj+1,2k、ψj+1,2k+1为其垂直相邻函数。如果某一小波函数至少有一个相邻函数的小波系数为零，则其被称为边界小波函数。所有边界小波系数由表示。选择最少数目的边界小波函数使其系数满足其中，εi∈(0,1]表示给定的选择百分比。这样，小波函数的垂直邻域函数可被视为下一次迭代中的潜在小波函数，其索引用集合表示。最终得到下一次迭代的小波索引集合为：即将当前小波索引集合与下一次迭代潜在的集合合并，同时除去所消除的小波索引。这样，与集合Λl+1相对应的时间网格就是所得到的更合适的控制网格Δl+1，将在下一次迭代中被应用。时间尺度转换模块是将当前数学模型(6)转换到一个新的时间尺度上，以便于对自适应控制网格划分模块得到的控制网格进行优化，具体如下：选择边界小波中最少数目的组成部分使得其中，εs∈(0,1]为给定的选择比例。这样，小波函数的垂直邻域函数可被认为是重要的。重要垂直邻域函数所对应的时域即为需要优化的重要控制子区间。假设经过自适应控制网格划分模块调整后，整个控制时域存在P个控制子区间[tk‑1,tk)(k＝1,2,...,P)，每个控制子区间的长度用θk表示，且其初始值为对于其中的非重要控制子区间，其长度为定值，不必优化。对于其中的重要控制子区间，根据其连续情况，假设可分为R(R≥1)部分，第r(1≤r≤R)部分包含nr(nr≥2)个连续控制子区间，且其所有控制子区间的长度满足：引入时间尺度转换函数如下：其中，τ为新的时间变量，表示不超过τ的最大整数。这样，数学模型(6)在新的时间尺度上可被转换为：其中，所述DCS产生流量控制阀门开度指令的过程如下：步骤B1：信息采集模块获取工程师指定的生产过程持续时间以及冷却剂流速控制要求；步骤B2：初始化模块运行，设置初始控制网格数目p、冷却剂流速控制策略的初始猜测值设定常数值ρ≥0、δ＞0、εe＞0、εi∈(0,1]、εs∈(0,1]，设置最大迭代次数lmax≥1以及终止误差tolJ＞0，并令迭代计数l＝0；步骤B3：约束条件处理模块将活塞流管式反应器中目标产品的生产过程数学模型进行转换；步骤B4：控制向量参数化模块采用分段常量策略来表示冷却剂流速控制曲线，如果l＝0，则将控制时域等分为p段而得到当前控制网格，并令所有控制参数值为否则，采用Δl作为当前控制网格，每个控制子区间内的参数值为对应控制时域内的值；步骤B5：NLP问题求解模块中的SQP求解模块运行，并且通过联立微分方程组求解模块获取目标函数值以及目标函数对控制参数向量的一阶梯度信息，最终得到当前控制网格下的目标函数最优值J*l以及相应的最优控制参数步骤B6：终止条件判断模块运行，对于l＞0，如果l＝lmax或则执行步骤B10，否则，执行步骤B7；步骤B7：自适应控制网格划分模块运行，获得新的控制网格Δl+1；步骤B8：令迭代计数l＝l+1，如果l＝lmax，则执行步骤B9，否则，转到步骤B4；步骤B9：时间尺度转换模块将数学模型转换到新时间尺度上，转到步骤B4；步骤B10：控制指令输出模块将获得的最优冷却剂流速控制策略输出。