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多层结构预测控制系统经济性能评估与优化设计

作　者: 刘詟
导　师: 苏宏业; Biao Huang
学　校: 浙江大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 模型预测控制经济性能评估 LQG性能基准 Pareto最优曲面均匀分布LQG 多模型约束一致性
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着模型预测控制技术在石油、化工、造纸、制药等流程工业的迅速发展和广泛应用,企业的安全生产得到了保障,经济效益有了明显提高。由于预测控制的实施需要增加企业投资成本,能否在项目实施前给出详细准确的投运成本和经济收益分析,是企业关心的一个重要问题。根据工程实施经验,预测控制系统在投运初期能够达到预期的控制性能目标,然而,随着时间的推移,原料供给、产品规格、生产环境、设备性能、操作条件等都发生了变化,预测控制器逐渐偏离预先设定的操作状态,导致控制性能下降,无法达到预期收益。因此,预测控制系统的经济性能评估具有十分重要的意义。目前应用最为广泛的性能评估策略基于最小方差控制(Minimum Variance Control, MVC)基准。然而,由于MVC基准只涉及到过程输出的方差信息,并没有考虑执行器的约束和可操作性,因而在工业应用中只能作为一种理想化的操作指导而通常无法实现。针对这一问题,本论文基于线性二次型高斯(Linear Quadratic Gaussian, LQG)基准进行多层结构预测控制系统经济性能评估与优化的研究,在充分考虑了执行器约束的情况下给出实际可行的最优控制策略。本论文具体研究内容如下：1.针对流程工业中的多变量预测控制器,采用多变量LQG经济性能稳态优化与MPC动态控制结合的双层优化控制结构,通过求解多变量LQG性能基准,确定了多变量控制方差与输出方差非线性约束关系的多维Pareto曲面,从而对控制过程进行经济性能评估和稳态优化求解,给出与经济效益直接相关的多变量MPC最优设定值和最优卡边控制退避值,进一步指导MPC控制器设计以实现最优控制性能和最大化经济效益。2.针对传统LQG最优性能基准点上部密集,下部稀疏的不均衡分布导致的拟合效果偏差和计算量过大的问题,提出了一种均匀分布LQG性能评估策略。分别采用数值寻优算法、递归寻优算法和解析求解算法三种策略求解LQG最优离散点集,并对该点集进行拟合,从而提高了LQG性能曲线的拟合精度,降低了计算量。对于多变量控制系统,采用LQG性能基准对变量之间的制约关系进行灵敏度分析,能够指导控制及评估变量的选取,提高调节效率和简化评估流程。3.针对工业过程中由于原料批次变化、生产环境影响、牌号切换、操作员调整等因素导致的多模型工况,根据多模型过程产生的原因将其区分为扰动多模型和过程多模型分别展开讨论,介绍了MVC评估基准对于多模型问题的解决策略,并分别对扰动多模型和过程多模型工况采用LQG基准进行性能评估和稳态优化设计。4.针对多层结构预测控制系统中各层之间变量处理相对独立而导致的约束不一致、最优设定值无法执行、控制性能降低的问题,分别对LQGO—PFC—PFC、LQGO—PFC—PID、LQGO—QMPC—PID三种典型的串级控制回路和传导控制回路进行分析,在多层结构协调运算过程中采用回退计算策略将下层控制器约束传递至上层,并对约束传递过程中的单调性做了证明,从而保证各层之间约束的一致性,提高控制效果。通过液位控制系统的设计验证了该方法的有效性。5.针对目前经济性能评估大多基于稳态过程而未考虑动态特性的问题,采用LQG稳态优化与MPC动态控制相结合的双层MPC优化控制结构,将过程关键变量作为上下层之间的关联,从而保证了上层最优经济性能下的设定值切实可行。采用提出的多变量LQG性能基准和均匀分布LQG性能基准分别对国内某大型石化企业延迟焦化加热炉出口氧含量控制回路和加热炉出口温度控制回路进行了经济性能评估和优化设计,给出了加热炉控制系统的经济性能提升空间,并指导MPC控制器设计。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
目次  12-15
图目录  15-17
表目录  17-18
1 绪论与综述  18-40
  1.1 研究背景  18-25
  1.2 性能评估的研究内容  25-27
  1.3 性能评估的研究发展现状  27-34
    1.3.1 经济性能评估  27-28
    1.3.2 控制器性能评估  28-31
    1.3.3 故障检测与诊断  31-32
    1.3.4 性能评估软件与工业应用  32-34
  1.4 论文研究解决的问题  34-36
  1.5 论文研究内容及结构  36-40
2 基于LQG基准的多变量预测控制经济性能评估与优化设计  40-58
  2.1 引言  40-41
  2.2 双层MPC优化控制结构  41-46
    2.2.1 经济性能指标的确定  43-45
    2.2.2 多变量稳态目标优化  45-46
  2.3 多变量LQG基准  46-49
  2.4 工业实例分析  49-56
  2.5 小结  56-58
3 均匀分布LQG基准经济性能评估与优化设计  58-90
  3.1 引言  58-60
  3.2 LQG性能评估问题的讨论  60-63
    3.2.1 LQG性能基准  60-61
    3.2.2 ARMAX模型  61-62
    3.2.3 多变量LQG基准的简化策略  62-63
  3.3 均匀分布LQG基准的求解  63-72
    3.3.1 数值寻优算法  64-65
    3.3.2 递归寻优算法  65-67
    3.3.3 解析求解算法  67-72
  3.4 LQG性能基准的应用  72-78
    3.4.1 LQG控制性能评估  72-74
    3.4.2 经济性能评估与LQG稳态优化  74-76
    3.4.3 灵敏度分析  76-78
  3.5 仿真分析  78-81
    3.5.1 SISO过程  78-80
    3.5.2 MIMO过程  80-81
  3.6 工业实例分析  81-88
  3.7 小结  88-90
4 多模型工况下LQG经济性能评估与优化设计  90-110
  4.1 引言  90-92
  4.2 基于MVC基准的多模型工况性能评估研究进展  92-97
    4.2.1 基于MVC基准的时变过程性能评估  92-94
    4.2.2 基于MVC基准的扰动多模型性能评估  94-97
  4.3 多模型LQG性能评估问题的提出  97-98
  4.4 多模型LQG性能基准的求解  98-102
    4.4.1 扰动多模型工况LQG性能基准  99-101
    4.4.2 过程多模型工况LQG性能基准  101-102
  4.5 基于LQG基准的多模型性能评估与优化设计  102-104
    4.5.1 多模型LQG稳态优化  102-103
    4.5.2 多模型LQG性能评估  103-104
  4.6 仿真及工业实例分析  104-108
    4.6.1 扰动多模型工况LQG性能基准  104-105
    4.6.2 过程多模型工况LQG性能基准  105-108
  4.7 小结  108-110
5 多层结构预测控制约束一致性研究与优化设计  110-134
  5.1 引言  110-111
  5.2 多层控制结构约束一致性问题的提出  111-115
  5.3 基于LQG稳态优化的预测函数串级控制回退计算  115-122
    5.3.1 PFC-PFC串级控制约束回退计算  116-120
    5.3.2 LQGO-PFC约束一致性优化控制  120-122
  5.4 基于LQG稳态优化的PFC-PID传导控制回退计算  122-127
    5.4.1 PFC-PID传导控制约束回退计算  123-125
    5.4.2 基于PID的LQGO-PFC约束一致性优化控制  125-127
  5.5 基于LQG稳态优化的QMPC-PID传导控制回退计算  127-130
    5.5.1 QMPC-PID传导控制约束回退计算  128-129
    5.5.2 基于PID的LQGO-QMPC约束一致性优化控制  129-130
  5.6 仿真分析  130-133
  5.7 小结  133-134
6 多层结构串级回路液位控制系统约束一致性设计  134-142
  6.1 系统设计综述  134-136
  6.2 PFC内模型参数辨识  136-138
  6.3 串级传导控制约束一致性回退计算  138-140
  6.4 小结  140-142
7 总结与展望  142-146
参考文献  146-161
攻读博士期间科研成果  161-162

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