一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统，该系统由间歇反应器本体、间歇反应器端的液相流量计、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室进料速率显示、流量控制阀门端的数模转换器、流量控制阀门构成。控制室工程师指定生产过程持续时间和进料速率控制要求后，DCS得到使目标产品产量最大化的进料速率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，液相流量计实时采集反应器进料速率并回送给DCS，使控制室工程师随时掌握生产过程。本发明专利技术能够最大化间歇反应器中目标产品的产量，实现挖潜增效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统
本专利技术涉及反应器控制领域，主要是一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统。该系统能够对间歇反应器进料速率进行自动最优控制，以提高目标产品的产量。
技术介绍
间歇反应器，广泛应用于石油化工、生物医药、生命健康等领域。在实际生产中，当物料初始浓度、生产时间等因素确定后，影响产品产量的最关键因素就是底物进料速率。由于不同产品的生产工艺要求不同，所以按生产工艺要求对间歇反应器自动地进行进料速率最优控制具有重要意义。当前国内间歇反应器的控制方法中很少采用最优控制理论及对应方法，控制器中的参数往往凭已有经验设定。采用最优控制方法后，间歇反应器中目标产品的产量可以进一步提高，实现挖潜增效。
技术实现思路
为了提高间歇反应器中目标产品的产量，本专利技术提供了一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统，该系统借助DCS作为最优控制方法的实现载体。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统，能够对间歇反应器进料速率进行自动最优控制，以提高目标产品的产量。其特征在于：由间歇反应器本体、间歇反应器端的液相流量计、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室进料速率显示、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进料速率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的自适应优化控制网格最优控制方法，计算出使目标产品产量最大化的进料速率控制策略；步骤A3：DCS将得到的进料速率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：间歇反应器端的液相流量计实时采集间歇反应器进料速率，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(NonlinearProgramming，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。间歇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；x(t)＝[x1(t),x2(t),...,被称为状态变量，表示间歇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)表示间歇反应器的进料速率，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、进料速率建立的约束条件。假设以Φ[x(tf)]表示目标产品的最终产量，则使该产品产量最大化的数学模型可表示为：其中J[u(t)]表示控制目标，由进料速率u(t)决定。该问题本质上是一个最优控制问题。本专利技术解决该问题所采用的技术方案是：在DCS中集成了自适应优化控制网格最优控制方法，并以此为基础构建了一套最优控制系统。所述控制系统的结构包括间歇反应器本体、间歇反应器端的液相流量计、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室进料速率显示、流量控制阀门端的数模转换器、流量控制阀门。所述系统的运行过程如下：步骤C1：控制室工程师设定生产过程持续时间以及进料速率控制要求；步骤C2：DCS执行内部的自适应优化控制网格最优控制方法，计算出使目标产品产量最大化的进料速率控制策略；步骤C3：DCS将得到的进料速率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C4：间歇反应器端的液相流量计实时采集间歇反应器进料速率，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。集成了自适应优化控制网格最优控制方法的DCS是本专利技术的核心，其内部包括信息采集模块、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(NonlinearProgramming，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。信息采集模块包括生产过程持续时间采集、进料速率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)中的约束条件可将数学模型(2)转换为：ul≤u(t)≤uut0≤t≤tf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：ul≤u(t)≤uut0≤t≤tf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进料速率控制，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，进料速率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(SequentialQuadraticProgramming，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和方程组其中，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(FastWaveletTransformation，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统，能够对间歇反应器进料速率进行自动最优控制，以提高目标产品的产量。其特征在于：由间歇反应器本体、间歇反应器端的液相流量计、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室进料速率显示、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进料速率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的自适应优化控制网格最优控制方法，计算出使目标产品产量最大化的进料速率控制策略；步骤A3：DCS将得到的进料速率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：间歇反应器端的液相流量计实时采集间歇反应器进料速率，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。间歇反应器中目标产品的生产过程可以描述为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应优化控制网格的间歇反应器最优控制系统，能够对间歇反应器进料速率进行自动最优控制，以提高目标产品的产量。其特征在于：由间歇反应器本体、间歇反应器端的液相流量计、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室进料速率显示、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进料速率控制要求；步骤A2：DCS执行内部的自适应优化控制网格最优控制方法，计算出使目标产品产量最大化的进料速率控制策略；步骤A3：DCS将得到的进料速率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：间歇反应器端的液相流量计实时采集间歇反应器进料速率，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(NonlinearProgramming，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。间歇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，表示间歇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)表示间歇反应器的进料速率，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、进料速率建立的约束条件。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产量，则使该产品产量最大化的数学模型可表示为：其中J[u(t)]表示控制目标，由进料速率u(t)决定。信息采集模块包括生产过程持续时间采集、进料速率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)中的约束条件可将数学模型转换为：其中，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进料速率控制，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，进料速率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(SequentialQuadraticProgramming，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和方程组其中，利用四阶Runge-K...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，李国栋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33