基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，根据工业循环水系统的配置，建立循环水系统的动态模型和稳态模型；设置被控变量的优先级、操作变量的优先级、操作变量的效益方向以及操作变量与被控变量之间的相关性方向；建立目标函数，根据工艺条件和稳态模型构建约束条件；如果有可行域，得到最优操作点；否则对被控变量的约束条件适当放松，得到最优操作点；将得到的最优操作点做为设定值，建立模型预测控制器，并实施控制作用。本发明专利技术实现循环水系统各生产单元的回水温度始终处于其最高允许温度下运行，同时，使循环水系统的管网输出流量减少，压力降低。进而实现降低运行成本，系统节能的效果。

Energy saving optimization control method of industrial circulating water based on bi level structure predictive control

The invention relates to an industrial cycle water energy-saving optimization control method based on the double layer structure predictive control. According to the configuration of the industrial circulating water system, the dynamic model and the steady state model of the circulating water system are set up, and the priority of the controlled variable, the priority of the operating variable, the benefit direction of the operating variable and the operating variables are set up. The direction of the correlation between the controlled variables; set up the objective function, construct the constraint conditions according to the technological conditions and the steady state model; if there is a feasible domain, the optimal operating point is obtained; otherwise the optimal operating point of the controlled variable is loosened properly, and the optimal operating point is set as the set value, and the model prediction is established. The controller and the control effect. The invention realizes the return water temperature of each production unit of the circulating water system at the highest allowable temperature at the same time, at the same time, the output flow of the pipe network of the circulating water system is reduced and the pressure is reduced. In order to reduce operation cost and save energy.

【技术实现步骤摘要】
基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法
本专利技术涉及优化控制领域，具体地说是一种基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法。
技术介绍
工业循环水系统是为生产设备实施冷却而配置的，广泛应用于石油化工、热电、钢铁、冶金、制药、化纤等重要的国民经济领域的生产中。据统计，泵的耗电量约占全国发电量的21％，其中工业循环水系统用泵能耗占到70％以上，因而，提高工业循环水系统能量利用效率对节约能耗具有重要意义。本专利技术涉及的工业循环水系统涉及的主要设备有循环水泵组、管网、换热器、冷却终端(生产单元)、冷却塔等。一套循环水系统通常为多个生产单元提供冷却水，形成并联的换热器组。由于各生产单元的设备、换热功率和管理特性各不相同。现有的运行方案主要是调节循环水泵出口阀门或换热器管路阀门实现对各生产单元的冷却温度要求，或通过调节循环水泵出口阀门或循环水泵转速实现对工况最差的换热支路热交换。阀门节流的调节方式造成大量的能量浪费在管网的阀阻上，最不利工作点的运行方式促使部分支路流量过大，同样造成能量浪费。在控制方法方面，由于工业循环水系统工艺具有多耦合、非线性、大滞后等特点，传统的经典控制方法仅以单个回路为基础，无法从系统的角度实现对循环水系统的准确温度控制，不能很好的满足工业循环水的节能要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于双层结构预测控制算法的工业循环水节能优化与控制方法，实现循环水系统各生产单元的回水温度始终处于其最高允许温度下运行，同时，使循环水系统的管网输出流量减少，压力降低。进而实现降低运行成本，系统节能的效果。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据工业循环水系统的配置，建立循环水系统的动态模型和稳态模型；步骤2：根据生产过程的工艺要求，设置被控变量的优先级、操作变量的优先级、操作变量的效益方向以及操作变量与被控变量之间的相关性方向；步骤3：以最小的能量消耗为目标建立目标函数，根据工艺条件和稳态模型构建约束条件；步骤4：判断约束条件是否具有可行域，如果具有可行域，则采用操作变量的多优先级优化策略，得到最优操作点；否则采用针对被控变量的多优先级优化策略，对被控变量的约束条件适当放松，得到最优操作点；步骤5：将得到的最优操作点做为设定值，建立模型预测控制器，并实施控制作用。在工业循环水系统中工频泵的两端并联设置一个变频泵。所述动态模型和稳态模型的建立过程为：首先，建立循环水系统的水力模型和热力模型；其次，通过试验数据，修正模型参数，建立循环水系统的动态模型；最后，由修正后的动态模型模型，建立循环水系统的稳态模型。所述被控变量包括冷却单元出口温度和管网压力；所述操作变量包括调节阀组的阀门开度和循环泵运行频率。所述被控变量优先级定义为优先级越高，约束条件优先得到满足，优先级低的被控变量其次；所述被控变量的优先级为：管网压力优先级最高；根据冷却单元的生产工艺要求，对温度控制要求高的生产单元，对应的出口温度的优先级其次；所述操作变量的优先级定义为：优先级别高的操作变量，当调节方向和优化方向相同时，优先调节；方向相反时，最后调节；所述操作变量的优先级定义为：变频泵运行频率的优先级最高，其次是调节阀组的阀门开度。所述操作变量的效益方向包括最大化，最小化和最小移动；操作变量中变频泵运行频率的效益方向为最小化，操作变量中调节阀组的阀门开度的效益方向为最大化。所述操作变量与被控变量之间的相关性方向设置为：操作变量中变频泵运行频率与被控变量中冷却单元出口温度的相关性为负相关；操作变量中变频泵运行频率与被控变量中管网压力的相关性为正相关；操作变量中调节阀组的阀门开度与被控变量中冷却单元出口温度的相关性为正相关；操作变量中调节阀组的阀门开度与被控变量中管网压力的相关性为负相关。所述目标函数为：minJ＝f(Δuss(k),Δyss(k))Δuss(k)＝uss(k+1)-uss(k)Δyss(k)＝yss(k+1)-yss(k)其中，f(Δuss(k),Δyss(k))为目标函数，表示生产过程中的运营成本；uss(k)和yss(k)为k时刻的操作变量和被控变量的稳态优化值，Δuss(k)为稳态输入的增量，Δуss(k)为稳态输出的增量。所述采用操作变量的多优先级优化策略，得到最优操作点包括以下步骤：步骤1：对操作变量的操作方向进行判断；步骤2：对操作变量的操作顺序进行判断；步骤3：以该操作顺序为新的优先级，通过被控变量的多优先级优化策略进行升序策略的操作变量优先级目标优化，得到最优操作点。所述对操作变量的操作方向进行判断为：在当前状态下，为满足优化和控制需求，判断被控变量的调节方向，并根据被控变量与操作变量的相关性，判断操作变量的调节方向；其判断规则为：同号为正，异号为负；所述对操作变量的操作顺序进行判断为：同一优先级、不同效益方向的操作变量，当操作方向为正时，操作顺序为：最大化效益操作变量优先于最小化效益操作变量；反之，当操作方向为负时，操作顺序为：最小化效益操作变量优先于最大化效益操作变量；具有不同优先级的最大化效益的操作变量，当操作方向为正时，其操作顺序与其优先级排序相同；反之，当操作方向为负时，其操作顺序与其优先级排序相反。所述针对被控变量的多优先级优化策略：依据升序优先级优化策略，首先对优先级最高的被控变量进行约束调整，得到放松条件其次，在保持上一优先级优化结果后，进行下一优先级变量的约束调整；最后采用升序模式对所有优先级的约束条件进行放松，得到各个优先级的放松条件分别为i＝1,2,…,Py，其中Py为优先级数；进而构成最优的放松条件以及最优的操作点(Δu*,Δy*)。所述约束条件为：Δyss(k)＝GuΔuss(k)+GfΔfss(k)+e(k)uL≤uss(k)+Δuss(k)≤uHyL≤yss(k)+Δyss(k)≤yHΔuL≤Δuss(k)≤ΔuH其中，uss(k)和yss(k)为k时刻的操作变量和被控变量的稳态优化值，Δfss(k)＝fss(k)-fss(k-1)为扰动输入增量，Gu为输入-输出稳态增益矩阵，Gf为扰动-输出稳态增益矩阵，uH为操作变量的上限，uL为操作变量的下限，yH为被控变量变量的上限，yL为被控变量变量的下限，ΔuH为操作变量增量的上限，ΔuL为操作变量增量的下限，为稳态误差修正量，其中y(k)为当前k时刻的测量值，为k-1时刻对k时刻的输出预测值。所述放松条件通过求解如下目标函数得到：s.t.Δyss(k)＝GuΔuss(k)+GfΔfss(k)+e(k)uL≤uss(k)+Δuss(k)≤uHyL,P1-δyL,P1≤yss,P1(k)+Δyss,P1(k)≤yH,P1+δyH,P1ΔuL≤Δuss(k)≤ΔuH其中，P1表示优先级为1的变量；为了确保生产安全，通常会另外增加yL,P1-δyL,P1≥yLL,P1和yH,P1+δyH,P1≤yHH,P1的约束，yLL,P1和yHH,P1表示优先级为1的变量的安全下限和上限值，uss(k)和yss(k)为k时刻的操作变量和被控变量的稳态优化值，Δfss(k)＝fss(k)-fss(k-1)为扰动输入增量，Gu为输入-输出稳态增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据工业循环水系统的配置，建立循环水系统的动态模型和稳态模型；步骤2：根据生产过程的工艺要求，设置被控变量的优先级、操作变量的优先级、操作变量的效益方向以及操作变量与被控变量之间的相关性方向；步骤3：以最小的能量消耗为目标建立目标函数，根据工艺条件和稳态模型构建约束条件；步骤4：判断约束条件是否具有可行域，如果具有可行域，则采用操作变量的多优先级优化策略，得到最优操作点；否则采用针对被控变量的多优先级优化策略，对被控变量的约束条件适当放松，得到最优操作点；步骤5：将得到的最优操作点做为设定值，建立模型预测控制器，并实施控制作用。

【技术特征摘要】
1.一种基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据工业循环水系统的配置，建立循环水系统的动态模型和稳态模型；步骤2：根据生产过程的工艺要求，设置被控变量的优先级、操作变量的优先级、操作变量的效益方向以及操作变量与被控变量之间的相关性方向；步骤3：以最小的能量消耗为目标建立目标函数，根据工艺条件和稳态模型构建约束条件；步骤4：判断约束条件是否具有可行域，如果具有可行域，则采用操作变量的多优先级优化策略，得到最优操作点；否则采用针对被控变量的多优先级优化策略，对被控变量的约束条件适当放松，得到最优操作点；步骤5：将得到的最优操作点做为设定值，建立模型预测控制器，并实施控制作用。2.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，其特征在于：在工业循环水系统中工频泵的两端并联设置一个变频泵。3.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，其特征在于：所述动态模型和稳态模型的建立过程为：首先，建立循环水系统的水力模型和热力模型；其次，通过试验数据，修正模型参数，建立循环水系统的动态模型；最后，由修正后的动态模型模型，建立循环水系统的稳态模型。4.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，其特征在于：所述被控变量包括冷却单元出口温度和管网压力；所述操作变量包括调节阀组的阀门开度和循环泵运行频率。所述被控变量优先级定义为优先级越高，约束条件优先得到满足，优先级低的被控变量其次；所述被控变量的优先级为：管网压力优先级最高；根据冷却单元的生产工艺要求，对温度控制要求高的生产单元，对应的出口温度的优先级其次；所述操作变量的优先级定义为：优先级别高的操作变量，当调节方向和优化方向相同时，优先调节；方向相反时，最后调节；所述操作变量的优先级定义为：变频泵运行频率的优先级最高，其次是调节阀组的阀门开度。5.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，所述操作变量的效益方向包括最大化，最小化和最小移动；操作变量中变频泵运行频率的效益方向为最小化，操作变量中调节阀组的阀门开度的效益方向为最大化。6.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，所述操作变量与被控变量之间的相关性方向设置为：操作变量中变频泵运行频率与被控变量中冷却单元出口温度的相关性为负相关；操作变量中变频泵运行频率与被控变量中管网压力的相关性为正相关；操作变量中调节阀组的阀门开度与被控变量中冷却单元出口温度的相关性为正相关；操作变量中调节阀组的阀门开度与被控变量中管网压力的相关性为负相关。7.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，所述目标函数为：minJ＝f(Δuss(k),Δyss(k))Δuss(k)＝uss(k+1)-uss(k)Δyss(k)＝yss(k+1)-yss(k)其中，f(Δuss(k),Δyss(k))为目标函数，表示生产过程中的运营成本；uss(k)和yss(k)为k时刻的操作变量和被控变量的稳态优化值，Δuss(k)为稳态输入的增量，Δуss(k)为稳态输出的增量。8.根据权利要求1所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，所述采用操作变量的多优先级优化策略，得到最优操作点包括以下步骤：步骤1：对操作变量的操作方向进行判断；步骤2：对操作变量的操作顺序进行判断；步骤3：以该操作顺序为新的优先级，通过被控变量的多优先级优化策略进行升序策略的操作变量优先级目标优化，得到最优操作点。9.根据权利要求8所述的基于双层结构预测控制的工业循环水节能优化控制方法，所述对操作变量的操作方向进行判断为：在当前状态下，为满足优化和控制需求，判断被控变量的调节方向，并根据被控变量与操作变量的相关性，判断操作变量的调节方向；其判断规则为：同号为正...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹涛，于海斌，郑洪宇，李永民，王景杨，魏来星，张鑫，贾洋，马小龙，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21