專利名稱：一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的混雜模型優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混雜系統(tǒng)模型框架優(yōu)化控制方法，尤其涉及一種用于一階反應(yīng) 連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)的混雜系統(tǒng)模型框架優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
實(shí)際的一階反應(yīng)CSTR，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性特性。雖然近些年來非線性控制 技術(shù)取得了較大的發(fā)展，但是至今尚未形成統(tǒng)一的理論和方法，在工業(yè)實(shí)際中也未能得 到良好的應(yīng)用。其主要原因如下首先，現(xiàn)有的非線性控制器設(shè)計(jì)方法往往需要一個(gè)精 確的非線性模型，然而獲取精確的非線性模型并非一件容易的事情；其次，即使有精確 的非線性模型，基于非線性模型的控制器設(shè)計(jì)也很復(fù)雜；此外，非線性控制器也有一定 的適用范圍，一旦超出這一范圍，控制性能就會(huì)降低甚至失效。解決非線性控制問題行 之有效的途徑之一是多模型方法，它的基本思想是將系統(tǒng)的整個(gè)操作空間分成若干子區(qū) 域，然后在每個(gè)子區(qū)域建立一個(gè)簡(jiǎn)單的局部線性模型/控制器，最后由局部線性模型/控 制器構(gòu)成全局模型/控制器。然而，多模型方法中多個(gè)模型/控制器之間的調(diào)度，并非是在統(tǒng)一框架下進(jìn)行 的調(diào)度，因而使得各個(gè)局部模型/控制器之間如果協(xié)調(diào)不好，則整個(gè)系統(tǒng)的控制性能就 無法保證，還可能引起輸出的抖動(dòng)甚至整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如果能把這些子系統(tǒng)的所有 動(dòng)態(tài)特性集中在一個(gè)統(tǒng)一的框架下進(jìn)行描述，進(jìn)而設(shè)計(jì)全局的控制器，這將有利于消除 模型切換時(shí)引起的抖動(dòng)，減輕振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，從而提高控制精度。近年來 發(fā)展起來的混雜系統(tǒng)理論為實(shí)現(xiàn)這樣的目的提供了的技術(shù)支持，例如有學(xué)者提出的基于 MLD模型的MPC控制方法。在MLD模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的全局MPC控制器，可以在每個(gè)采樣時(shí)刻利用全部子 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，以保證系統(tǒng)在統(tǒng)一的、整體的性能指標(biāo)下運(yùn) 行。然而，MLD模型方法是建立在邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上的混雜系統(tǒng)建模方法，因而只適用于 依狀態(tài)切換的一類混雜系統(tǒng)，另外，選取不同的邏輯變量還會(huì)導(dǎo)致MLD模型的不唯一， 進(jìn)而為模型驗(yàn)證帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng) 器的混雜模型優(yōu)化控制方法，本發(fā)明適用于在CSTR中使用冷卻液溫度控制原料濃度的 一階反應(yīng)過程。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種用于一階反應(yīng)連續(xù)攪拌 釜式反應(yīng)器(CSTR)的混雜系統(tǒng)模型框架優(yōu)化控制方法，包括以下步驟
(1)對(duì)一階反應(yīng)CSTR裝置進(jìn)行狀態(tài)空間建模，并確定其正常工作的工作范圍和每 個(gè)工作范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。(2)根據(jù)一階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型，確定其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型，具體包括以下兩個(gè)子步驟
(I )在每個(gè)范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近將一階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型線性化。(II)根據(jù)一階反應(yīng)CSTR的線性化模型，建立其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型。(3)根據(jù)混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型，使用ILOG CPLEX軟件求解控制信號(hào)參數(shù)，具體 包括以下兩個(gè)子步驟
(I )將一階反應(yīng)CSTR轉(zhuǎn)化為ILOG CPLEX軟件可處理的形式。(II)求解其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型，確定控制信號(hào)參數(shù)。(4)根據(jù)控制信號(hào)參數(shù)合成控制信號(hào)，實(shí)施控制。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的方法能夠保證一階反應(yīng)CSTR在兩種情況下快 速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運(yùn)行從系統(tǒng)啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行于某一穩(wěn)定工作點(diǎn)的過渡過程；從某一 穩(wěn)定工作點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)的過渡過程。本方法與現(xiàn)存的一階反應(yīng)CSTR控 制方法相比，優(yōu)勢(shì)尤其顯著。


圖1是本發(fā)明的應(yīng)用場(chǎng)景一階反應(yīng)CSTR示意圖，其中，CAf為物質(zhì)A進(jìn)料濃 度、Ttl為進(jìn)料溫度、ν進(jìn)料流量、Ca為物質(zhì)A進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)的濃度、Γ為反應(yīng)器溫度、 仏為冷卻液流量、Tef為冷卻液流量。圖2是本發(fā)明中使用的離散化方法示意圖。圖3是多模型軟切換控制方法和本發(fā)明所述方法分別對(duì)一階反應(yīng)CSTR進(jìn)行控 制的仿真圖(穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)之間過渡)，圖中，[υ',ΙΤ]為本發(fā)明專利描述方法所得曲線，[ YsftUsf]為多模型軟切換控制方法所得曲線。圖4是多模型軟切換控制方法和本發(fā)明所述方法分別對(duì)一階反應(yīng)CSTR進(jìn)行控制 的仿真圖(CSTR啟動(dòng)的過渡過程)，圖中，[Υ',ι/]為本發(fā)明專利描述方法所得曲線，[ YsftUsf]為多模型軟切換控制方法所得曲線。
具體實(shí)施例方式為克服傳統(tǒng)多模型控制和MLD模型控制的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了另外一種基于 混雜模型框架的非線性系統(tǒng)優(yōu)化控制方法。本發(fā)明一方面保留了采用混雜模型框架來合 成非線性系統(tǒng)若干線性子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使得子系統(tǒng)的所有動(dòng)態(tài)特性集中在一個(gè)統(tǒng)一的框 架下進(jìn)行描述，保證系統(tǒng)在統(tǒng)一的、整體的性能指標(biāo)下運(yùn)行。另一方面，本發(fā)明采用全 空間離散化方法，不僅可應(yīng)用于依狀態(tài)切換的混雜系統(tǒng)，而且可應(yīng)用于依時(shí)間切換的混 雜系統(tǒng)，此外，由于二進(jìn)制變量選取方法唯一確定，這樣建立的混雜模型是唯一的。首 先，利用混雜模型框架對(duì)非線性系統(tǒng)在不同操作點(diǎn)線性化所得到的若干線性子系統(tǒng)進(jìn)行 合成，建立統(tǒng)一框架下的優(yōu)化控制命題；然后，引入二進(jìn)制變量，在全空間對(duì)所得到的 混雜模型進(jìn)行離散化，把所得到的優(yōu)化控制命題轉(zhuǎn)化為MINLP進(jìn)行求解。在全空間離 散化時(shí)，本文采用有限元正交配置方法來減少所得MINLP的維數(shù)，以此來降低求解復(fù)雜 性。最后，引入輔助變量來代替MINLP約束條件中的連續(xù)變量和二進(jìn)制變量的乘積，將 MINLP轉(zhuǎn)化為MIQP進(jìn)行求解。此外，本發(fā)明采用滾動(dòng)優(yōu)化策略來彌補(bǔ)離散化帶來的模
4型失配。本發(fā)明專利應(yīng)用于一階反應(yīng)CSTR的啟動(dòng)過渡過程和穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換的過 渡過程，使用基于混雜模型框架的優(yōu)化控制方法?；祀s模型框架優(yōu)化控制的原理是 將CSTR的狀態(tài)空間模型在其各個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)線性化，作為混雜系統(tǒng)的模態(tài)，進(jìn)而建 立CSTR的混雜系統(tǒng)模型；確定CSTR正常工作的性能指標(biāo)，結(jié)合其混雜系統(tǒng)模型建立 CSTR的混雜模型框架優(yōu)化控制命題；使用基于有限元配置的離散化方法將優(yōu)化控制命 題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二次型規(guī)劃；求出控制信號(hào)后使用滾動(dòng)優(yōu)化策略對(duì)CSTR進(jìn)行控制， 使CSTR按照預(yù)定的方案運(yùn)行。本發(fā)明專利應(yīng)用于一階反應(yīng)CSTR的啟動(dòng)過渡過程和穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換的過 渡過程。一階反應(yīng)CSTR是在CSTR中進(jìn)行一階反應(yīng)，即往CSTR中加入某物質(zhì)A，進(jìn) 入CSTR后，A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成物質(zhì)B，并達(dá)到化學(xué)平衡的過程。例如苯乙烯本體熱 聚合過程，丙烯聚合反應(yīng)的前兩步(共三步，前兩步在CSTR中進(jìn)行，而且是一階反應(yīng)) 等等。對(duì)于這類反應(yīng)，選定CSTR裝置后，狀態(tài)空間模型的形式是固定的，模型中的參 數(shù)取值和待決策變量的取值范圍由化工機(jī)械工程師和化工工藝工程師給出。本發(fā)明用于一階反應(yīng)CSTR的混雜系統(tǒng)模型框架優(yōu)化控制方法，包括以下步 驟
1、對(duì)附圖1所示一階反應(yīng)CSTR裝置進(jìn)行狀態(tài)空間建模，并確定其正常工作的工作 范圍和每個(gè)工作范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。所謂一階反應(yīng)，即往CSTR中加入某物質(zhì)A，進(jìn)入CSTR后，A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生
成物質(zhì)B，并達(dá)到化學(xué)平衡的過程。例如苯乙烯本體熱聚合過程，丙烯聚合反應(yīng)的前兩 步(共三步，前兩步在CSTR中進(jìn)行，而且是一階反應(yīng))等等。如附圖1所示。建立一 階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型如下所示
權(quán)利要求
1.一種用于一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)的混雜系統(tǒng)模型框架優(yōu)化控制方 法，其特征在于，包括以下步驟(1)對(duì)一階反應(yīng)CSTR裝置進(jìn)行狀態(tài)空間建模，并確定其正常工作的工作范圍和每 個(gè)工作范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)；(2)根據(jù)一階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型，確定其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型；(3)根據(jù)混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型，求解控制信號(hào)參數(shù)；(4)根據(jù)控制信號(hào)參數(shù)合成控制信號(hào)，實(shí)施控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的混雜模型優(yōu)化控制方法，其特 征在于，所述步驟(1)中，建立的一階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型如下式所示
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的混雜模型優(yōu)化控制方法，其特 征在于，所述步驟(2)具體包括以下兩個(gè)子步驟(A)在每個(gè)范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近將一階反應(yīng)CSTR的狀態(tài)空間模型線性化；(B)根據(jù)一階反應(yīng)CSTR的線性化模型，建立其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的混雜模型優(yōu)化控制方法，其特 征在于，所述步驟(3)具體包括以下兩個(gè)子步驟(a)將一階反應(yīng)CSTR轉(zhuǎn)化為ILOGCPLEX軟件可處理的形式；(b)求解其混雜系統(tǒng)優(yōu)化模型，確定控制信號(hào)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一階反應(yīng)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的混雜模型優(yōu)化控制方法，該方法能夠保證一階反應(yīng)CSTR在兩種情況下快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運(yùn)行從系統(tǒng)啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行于某一穩(wěn)定工作點(diǎn)的過渡過程；從某一穩(wěn)定工作點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)的過渡過程。本方法與現(xiàn)存的一階反應(yīng)CSTR控制方法相比，優(yōu)勢(shì)尤其顯著。
文檔編號(hào)B01J19/18GK102023574SQ20101061695
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者宋春躍, 王林濤 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)