過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計.pdf

1、過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和設(shè)計的目標是對整個過程的控制系統(tǒng)體系做出一些“結(jié)構(gòu)性的”決策，使得流程工業(yè)能夠更容易地在滿足過程安全的前提下提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計開展于流程工藝藍圖設(shè)計和具體運行實施(控制器設(shè)計、整定與維護)這兩大主要階段之間，扮演著承上啟下的橋梁作用。本文對控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的變量選擇和確定變量之間關(guān)系這兩個關(guān)鍵問題進行了研究，其中著重研究了被控變量選擇和分散控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，具體內(nèi)容包括：
　　 1.研究

2、了被控變量選擇問題，并提出了一種選擇被控變量的新思路。探討了被控變量選擇和過程優(yōu)化操作之間的聯(lián)系和現(xiàn)實意義，介紹了自主優(yōu)化控制策略和已有的被控變量選擇方法。通過引入優(yōu)化問題的一階最優(yōu)性必要條件(NCO)，可以將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為設(shè)定值跟蹤問題，因此選擇合適的被控變量可以使控制系統(tǒng)集優(yōu)化與控制作用于一體。提出了構(gòu)造近似NCO條件為被控變量的方法，為估計在線不可測的NCO條件，使用了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法找到可測變量和NCO條件的函數(shù)關(guān)系，并選取這些函數(shù)

3、關(guān)系為被控變量，針對性地克服了現(xiàn)有方法兩個最大的局限性：(1)只適用于線性模型；(2)只能以測量變量的線性組合為被控變量。
　　 2.基于多變量過程控制系統(tǒng)的福合特性分析，提出了一種設(shè)計分散控制系統(tǒng)的新方法。通過考察由耦合性引起的各通道間增益變化的統(tǒng)計特性，將多變量過程的耦合特性分析推廣到了任意兩個維數(shù)的子系統(tǒng)之間，并提出了衡量分散控制系統(tǒng)回路耦合程度的新指標，以此作為設(shè)計分散控制結(jié)構(gòu)的依據(jù)。新方法彌補了相對增益矩陣(RGA)等

4、工具在衡量耦合性方面的缺點和不足，是對現(xiàn)有方法的重要總結(jié)和補充。由此產(chǎn)生的計算復(fù)雜性問題，基于遺傳算法對配對問題進行了探索性的研究并開發(fā)了相應(yīng)的配對算法，使得高維系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在有限時間內(nèi)完成。
　　 3.研究了分散控制系統(tǒng)的完整性問題，分別提出了一種新算法和新的量化指標。首先，針對完整性判定這個NP-hard問題，提出了一種篩選具備完整性的分散控制結(jié)構(gòu)的分支定界算法。和窮舉法相比，該算法表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，能夠迅速

5、完成對高維系統(tǒng)的完整性判定及控制結(jié)構(gòu)篩選。接著，提出了完整性的量化指標：完整度，新指標克服了原有概念過于保守等缺點，量化地表征了控制系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)時保持穩(wěn)定性的能力，是設(shè)計分散控制結(jié)構(gòu)的另一項指標。最后，結(jié)合耦合性衡量指標和完整度，小結(jié)了Ⅵ-EID配對準則。
　　 4.進一步研究了分散控制系統(tǒng)的擾動抑制能力，提出了一個度量新標準。以RGA為基礎(chǔ)發(fā)展而來的大部分分散控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，沒有包含擾動變量對控制系統(tǒng)的影響。通過評估控

6、制器處于不同工作狀態(tài)時控制系統(tǒng)的擾動抑制性能，提出了一個度量新標準。該標準克服了其他評價方法的缺點，能夠衡量分散控制系統(tǒng)總的擾動抑制能力。另外，繼續(xù)發(fā)展了單目標優(yōu)化的遺傳配對算法，以本文提出的三個評價指標為優(yōu)化目標，對三個評價指標的計算方式進行了歸納簡化，基于NSGA-Ⅱ開發(fā)了相應(yīng)的多目標優(yōu)化的遺傳配對算法。
　　 5.歸納總結(jié)了系統(tǒng)性的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟，主要包括操作優(yōu)化目標的確定、操作自由度分析、變量選擇、常規(guī)控制回路確立、變