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技术方案
An optimal control system for piston flow tube reactor based on adaptive optimization control grid
【技术实现步骤摘要】
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
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活塞流管式反应器最优控制系统。该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。
技术介绍
活塞流管式反应器是生物化工领域应用十分广泛的一种反应器。在实际生产中，当物料初始浓度、反应器容积、生产时间等因素确定后，影响产品产量的最关键因素就是温度，而温度一般通过冷却剂流速来控制。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活塞流管式反应器自动地进行冷却剂流速最优控制具有重要意义。当前国内活塞流管式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，活塞流管式反应器中目标产品的浓度进一步提高了，实现了挖潜增效。
技术实现思路
为了提高活塞流管式反应器中目标产品的浓度，本专利技术提供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活塞流管式反...
【技术保护点】
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...
【技术特征摘要】
1.一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(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。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(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(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(FastWaveletTransformation，FWT)将控制向量参数化模块处...
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