基于魯棒模型的過程工藝與控制集成設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、在實(shí)際的化工過程中，過程的工藝設(shè)計(jì)和控制方案設(shè)計(jì)一般采用分步序貫設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)，即首先根據(jù)成本最優(yōu)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)獲得基于穩(wěn)態(tài)過程模型的最佳過程工藝參數(shù)，再根據(jù)穩(wěn)態(tài)工藝條件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的被控變量及操作變量以及相應(yīng)的控制算法。這種設(shè)計(jì)方法有利于降低計(jì)算難度、減少計(jì)算量，但是卻割裂了工藝設(shè)計(jì)與控制器設(shè)計(jì)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。由于采用序貫設(shè)計(jì)法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)所預(yù)留的彈性區(qū)間沒有一個(gè)很好的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，對于非線性較強(qiáng)的過程，基于穩(wěn)態(tài)優(yōu)化獲得的工藝參數(shù)

2、與后續(xù)的控制器設(shè)計(jì)不能很好地匹配，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致過程的控制質(zhì)量低下?？紤]到序貫設(shè)計(jì)法的不足，逐漸將目光轉(zhuǎn)移到了工藝與控制的集成設(shè)計(jì)領(lǐng)域。相關(guān)研究表明，在工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮過程控制器的設(shè)計(jì)能獲得較優(yōu)甚至全局最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能和動態(tài)性能。本文以化工過程中常見的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）作為研究對象，開展過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法研究，主要工作如下：
　?。?）通過查閱大量有關(guān)過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)，對過程工

3、藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)問題的研究框架、集成設(shè)計(jì)框架中擾動和不確定性的處理方法以及集成設(shè)計(jì)問題的求解方法等進(jìn)行了一個(gè)總結(jié)與分析；并結(jié)合研究對象，對描述非線性過程的不確定性魯棒模型的相關(guān)理論進(jìn)行了綜述。
　?。?）研究了基于魯棒模型的過程工藝與控制系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法的核心思想是將閉環(huán)過程的非線性行為辨識成不確定性狀態(tài)空間模型，然后基于該魯棒模型利用二次李雅普諾夫函數(shù)（QLF）來保證閉環(huán)過程的漸近穩(wěn)定性，同時(shí)也可以利用線性矩陣不

4、等式（LMI）來獲得該閉環(huán)過程在外部擾動情況下過程變量的最壞輸出情況。最后將整個(gè)集成設(shè)計(jì)問題由動態(tài)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變成一個(gè)帶約束的非線性規(guī)劃問題。將該集成設(shè)計(jì)方法用于CSTR反應(yīng)器工藝和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明，與一般的基于動態(tài)優(yōu)化的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法相比，其計(jì)算難度大大降低，能夠獲得經(jīng)濟(jì)性能與動態(tài)性能更優(yōu)的化工過程。
　?。?）針對工業(yè)過程中廣泛采用先進(jìn)控制/常規(guī)控制分層遞階控制結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，即在底層采用常規(guī)控制（PID

5、）快速抑制進(jìn)入系統(tǒng)的干擾，上層采用先進(jìn)控制（APC）獲得優(yōu)良的跟蹤性和魯棒性。在基于魯棒模型的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法研究基礎(chǔ)上，提出了一種基于先進(jìn)控制/常規(guī)控制的分層遞階控制策略的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法。通過在集成設(shè)計(jì)框架中引入LQR-PI分層控制策略來提高過程的動態(tài)性能，從而減小由于預(yù)設(shè)特定擾動形式及利用魯棒模型求解過程輸出最壞情況時(shí)給整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果帶來的保守性。首先，將被控對象和常規(guī)PI控制器構(gòu)成廣義對象，并將其作為先