過程控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估算法的研究.pdf

1、控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估是流程工業(yè)過程控制領(lǐng)域新興的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它為控制工程師提供了一種從經(jīng)濟(jì)效益角度來評(píng)估當(dāng)前控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的定量分析方法。通過估計(jì)控制系統(tǒng)在采用新的控制策略或?qū)ΜF(xiàn)有控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的情況下，生產(chǎn)企業(yè)可能獲得的經(jīng)濟(jì)潛能(效益)，確定提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的最佳途徑，并為已有控制系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造提供決策依據(jù)。此外，經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估技術(shù)也可以在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制性能的變化，結(jié)合反映經(jīng)濟(jì)性能的測(cè)評(píng)指標(biāo)和結(jié)果，提供診斷性能下降的可靠信息，提出改

2、善控制性能的策略，維護(hù)工業(yè)過程高品質(zhì)運(yùn)行。
　　 過程控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估一般基于給定的方差估計(jì)基準(zhǔn)，確定控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能函數(shù)和關(guān)鍵變量的概率密度函數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)方法或優(yōu)化方法估計(jì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估涉及到參數(shù)估計(jì)與模型辨識(shí)、性能評(píng)估與監(jiān)控以及數(shù)值優(yōu)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，是當(dāng)今過程控制界最受關(guān)注的研究方向之一。本論文結(jié)合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估技術(shù)理論研究和國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，分別開展了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　

3、 (1)選擇合適的控制性能基準(zhǔn)對(duì)過程關(guān)鍵變量方差作出合理的評(píng)估，是提高控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估結(jié)果可靠性的重要保證。針對(duì)已有經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估算法大多采用最小方差控制(Minimum Variance Control，MVC)性能基準(zhǔn)，存在對(duì)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)(Model Predictive Control，MPC)性能評(píng)估結(jié)果可靠性不高的問題，提出了基于線性二次高斯控制(Linear Quadratic Gaussian，LQG)性能基準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)性

4、能評(píng)估算法。通過數(shù)值計(jì)算方法確定LQG性能基準(zhǔn)曲線，避免了復(fù)雜交互矩陣(Interactor Matrix)的計(jì)算。算法以基于模型的穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，將LQG基準(zhǔn)和預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能估計(jì)相結(jié)合，并通過建立一系列穩(wěn)態(tài)優(yōu)化問題來描述控制系統(tǒng)在不同控制策略下的經(jīng)濟(jì)性能。與已有評(píng)估算法相比，本算法提供了一種更簡(jiǎn)單有效的評(píng)估方法，能夠完成對(duì)包括預(yù)測(cè)控制在內(nèi)的先進(jìn)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)估。對(duì)Shell公司重油裂解裝置的性能評(píng)估驗(yàn)證了該算法的

5、有效性。
　　 (2)系統(tǒng)不確定性是大多數(shù)工業(yè)過程所固有的特性。過程存在不確定性動(dòng)態(tài)經(jīng)常造成控制器的實(shí)際工作點(diǎn)偏離穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的性能嚴(yán)重下降或惡化。因此，針對(duì)過程/系統(tǒng)存在外擾，模型參數(shù)變動(dòng)或模型失配等不確定性動(dòng)態(tài)對(duì)控制性能的影響，提出一種基于隨機(jī)優(yōu)化的算法來估計(jì)控制系統(tǒng)在采取改進(jìn)或調(diào)節(jié)控制策略所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。算法在確定控制系統(tǒng)最優(yōu)工作點(diǎn)以及相應(yīng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性能的過程中，采用了設(shè)置機(jī)會(huì)約束的方法來有效處理過程不確定

6、性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。評(píng)估算法引入隨機(jī)優(yōu)化思想有助于工程師在性能評(píng)估結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性和可靠性之間做出一個(gè)合理的權(quán)衡，最終為企業(yè)實(shí)施控制系統(tǒng)技術(shù)改造提供科學(xué)決策的依據(jù)。精餾過程仿真算例驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。
　　 (3)結(jié)合流程工業(yè)先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用的需求，研究了提高控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的可能途徑和相應(yīng)的預(yù)測(cè)控制器調(diào)節(jié)方法。在經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，定義了系統(tǒng)在不同控制工況下的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，并總結(jié)了性能評(píng)估流程的關(guān)鍵實(shí)施步驟。通過對(duì)控

7、制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析，給出了改善控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的策略和實(shí)施方案。對(duì)某工業(yè)二甲苯分餾過程先進(jìn)控制系統(tǒng)，采用提出的性能評(píng)估算法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益的分析，評(píng)估結(jié)果表明了該評(píng)估算法法是合理、有效的。
　　 (4)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的提高取決于過程關(guān)鍵變量方差的減少，而減少關(guān)鍵變量的方差和波動(dòng)幅度取決于控制性能的提高。因此，綜合分析預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能小僅要關(guān)注經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)也要考慮控制系統(tǒng)自身控制性能的優(yōu)劣。在預(yù)測(cè)控制策略中，某些

8、被控輸出量期望能被約束在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，稱之為區(qū)域控制(Regional Control，RC)問題。針對(duì)這類預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的性能評(píng)估問題，本文提出了基于加權(quán)偏離度統(tǒng)計(jì)的多變量預(yù)測(cè)控制區(qū)域控制性能評(píng)估方法。該方法易于工程實(shí)現(xiàn)，有效彌補(bǔ)了目前單純基于方差性能評(píng)估策略在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上存在困難的不足。并通過預(yù)測(cè)控制仿真和工業(yè)分餾過程應(yīng)用實(shí)例證明了該評(píng)估算法的有效性。
　　 (5)過程模型是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)最基本和最重要的組成單元。無論是對(duì)

9、控制系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估還是控制性能評(píng)估，都需要高精度的過程數(shù)學(xué)模型。參數(shù)估計(jì)是過程控制領(lǐng)域建立數(shù)學(xué)模型的一個(gè)核心問題。本文研究了一種基于逆序貫算法的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)方法。該算法采用變量誤差法的參數(shù)估計(jì)算法形式，可以同時(shí)求解數(shù)據(jù)校正問題和參數(shù)估計(jì)問題。在引入擬序貫優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)求解參數(shù)估計(jì)問題的三層計(jì)算結(jié)構(gòu)。通過采用正交配置離散化方法，將原動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)大規(guī)模非線性規(guī)劃問題。通過分層結(jié)構(gòu)和分解算法，使得參數(shù)