基于最优控制器的过程工艺与控制系统集成优化方法研究

摘要

传统的化工过程工艺设计和控制按照分步序贯设计方法进行。即，先基于过程稳态模型和经济最优准则进行满足要求的工艺设计;在此基础上设计控制系统。分步序贯设计方法割裂了工艺设计和过程控制性能之间的关联性，不能保证所设计的过程能够在外部扰动和不确定性下依然能够保持稳定、高性能的运行。目前，化工过程工艺设计与控制系统集成优化已逐渐受到了国内外工艺设计领域和过程控制领域的高度重视。然而，过程工艺与控制系统集成优化问题是一个复杂的混合整数动态优化问题，求解难度大，解决这一集成优化问题仍是一个具有挑战性的课题。 本文的主要工作如下: (1)本文在大量阅读及分析国内外这一领域研究进展的基础上，综合各种方法的优点及不足，采用基于最优控制的方法，应用于过程工艺与控制系统集成框架中。这种方法通过将工艺设计与控制系统同步优化问题分解成两个层次来处理，从而降低了问题的维数和求解的复杂程度，避免了集成设计中的计算复杂性，降低了问题求解难度。 (2)提出了将最优PID控制嵌入到过程工艺与控制系统集成优化框架中。该方法基于最优控制和分层优化策略，包含一个设计决策优化层和一个控制决策优化层，这种框架将控制决策从设计决策中分离出来，避免了集成设计的复杂性，降低了问题求解难度。其中设计决策优化层的优化目标为使经济成本最小化，得到最佳的工艺设计参数，而控制决策优化层的优化目标是使控制性能最佳。将该方法应用于一个化工换热设备，通过与传统的序贯设计方法比较，表明了该方法的有效性。 (3)采用先进控制（线性二次最优调节器）嵌入到过程控制与工艺集成优化框架中，形成一个双层优化问题。由于线性二次最优调节器能够得到显式控制律，从而使复杂的动态优化问题能够在一个合理的计算要求内得以求解。将该方法应用于一个连续搅拌槽式反应器过程，并与传统的序贯设计方法进行了比较。

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优化方法研究进展

2．1 基于混合整数动态优化方法

2．2 基于嵌入式控制优化方法

2．3 基于鲁棒控制优化方法

2．4 基于分解策略优化方法

2．5 本章小结

第三章 过程工艺与控制系统集成优化问题的描述

3．1 问题描述

3．2 动态优化问题描述及求解

3．2．1 序贯算法

3．2．2 联立算法

3．3 动态优化问题的联立求解算法

3．3．1 微分-代数混合优化问题

3．3．2 有限元正交配置

3．3．3 改进的正交配置

3．4 本章小结

第四章 基于最优PID控制的过程工艺与控制系统集成优化

4．1 引言

4．2 问题的一般数学描述

4．3 集成优化设计的基本方法

4．4 案例研究

4．5 本章小节

第五章 基于LQR控制器的过程工艺与控制系统集成优

5．1 引言

5．2 方法的数学描述

5．2．1 设计决策优化

5．2．2 LQR控制优化

5．3 案例分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢