聚合反應(yīng)過程的分布式模型預(yù)測(cè)控制策略研究.pdf

1、聚合反應(yīng)過程往往表現(xiàn)為強(qiáng)耦合性、不確定性、強(qiáng)非線性和動(dòng)力學(xué)機(jī)理復(fù)雜等特征，且從生產(chǎn)工藝上一般由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。模型預(yù)測(cè)控制由于其對(duì)生產(chǎn)中各種約束的有效處理能力，已被廣泛地應(yīng)用在聚合反應(yīng)過程中。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，預(yù)測(cè)控制作為一種信息處理手段已不限于集中式的控制，而更多地為分布式控制所取代，這就給傳統(tǒng)的控制問題帶來了新的挑戰(zhàn)和要求。本文以大型聚合反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)為背景，研究了聚合反應(yīng)動(dòng)態(tài)特性以

2、及分布式模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)等問題，主要研究成果如下：
　　 ●以聚苯乙烯反應(yīng)過程為例分析了聚合過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，討論了聚合反應(yīng)過程中的重要被控變量，研究了聚苯乙烯本體熱聚合過程模型，分析討論了苯乙烯在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行熱引發(fā)本體聚合行為。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了聚合反應(yīng)的多穩(wěn)態(tài)性、可行溫度操作區(qū)域及聚合反應(yīng)器溫度與聚合產(chǎn)物的數(shù)均分子量(NAMW)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，聚合化工反應(yīng)是一種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，參數(shù)的改變可能會(huì)導(dǎo)致

3、聚合反應(yīng)產(chǎn)生多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象及達(dá)到不可執(zhí)行區(qū)域。聚合反應(yīng)器溫度決定了代表產(chǎn)物質(zhì)量的數(shù)均分子量及其分布，它是聚合反應(yīng)過程中的至關(guān)重要的操作條件。
　　 ●研究了大規(guī)模系統(tǒng)的典型預(yù)測(cè)控制方法，針對(duì)聚合反應(yīng)過程的牌號(hào)切換問題，給出了一種分布式模型預(yù)測(cè)控制算法，該算法建立了基于目標(biāo)跟蹤的子系統(tǒng)性能指標(biāo)具體形式，該子系統(tǒng)性能優(yōu)化指標(biāo)充分考慮了其它子系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)影響，并采用組合狀態(tài)空間模型描述子系統(tǒng)特性，詳細(xì)推導(dǎo)了控制律求解過程，給出了

4、帶約束關(guān)聯(lián)優(yōu)化性能指標(biāo)二次規(guī)劃的解析形式。最后將該算法應(yīng)用到苯乙烯聚合反應(yīng)過程中，并與多種預(yù)測(cè)控制策略作比較，充分驗(yàn)證了算法的有效性，為分布式預(yù)測(cè)控制策略在聚合反應(yīng)過程牌號(hào)切換問題上的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。
　　 ●針對(duì)一類僅使用大批歷史數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)未知的非線性工業(yè)過程，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及局部建模的基本思想，提出一種基于局部模型算法的在線多模型辨識(shí)策略。給出了一種對(duì)初始值的選取不敏感的K-Harmonic Means(KHM)聚類數(shù)據(jù)庫(kù)搜

5、索策略，該策略簡(jiǎn)單可行，可縮短搜索時(shí)間，提高搜索效率。從向量相似的角度提出了一種新的選擇數(shù)據(jù)信息(即建模鄰域Ωκ(x)的確定）的方法，有效提高了獲得當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)最佳局部模型的數(shù)據(jù)精確度。給出了權(quán)值選定的適合度標(biāo)準(zhǔn)及帶寬h選擇的快速方法。最后對(duì)算法進(jìn)行了特性分析及仿真研究，并與其它局部建模算法的計(jì)算結(jié)果作了比較，驗(yàn)證了本文辨識(shí)算法的有效性。
　　 ●針對(duì)一類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未知的聚合反應(yīng)過程，將本文的局部模型在線辨識(shí)算法與過程控制相結(jié)合，

6、提出了一種多模型分布式模型預(yù)測(cè)控制算法。在每一時(shí)刻，首先得到當(dāng)前工況下的參數(shù)模型形式，提出一種模型結(jié)構(gòu)變換及結(jié)構(gòu)重組的方法，分離出各子系統(tǒng)的內(nèi)部信息及與其它子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)信息，并將子系統(tǒng)狀態(tài)向量進(jìn)行擴(kuò)維處理，得到包含全局信息的子系統(tǒng)狀態(tài)空間組合模型，建立了多模型分布式模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)的全過程。該算法可在線實(shí)時(shí)更新過程模型參數(shù)，簡(jiǎn)單可行，不僅解決了一類結(jié)構(gòu)未知的聚合反應(yīng)過程中的分布式預(yù)測(cè)控制問題，還彌補(bǔ)了現(xiàn)有分布式模型預(yù)測(cè)控制中采用單一

7、全局線性模型，不能充分表述非線性系統(tǒng)特性的不足。最后通過在聚合反應(yīng)過程中的應(yīng)用，說明本文算法可以使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到明顯改善。
　　 ●對(duì)于存在過程干擾和量測(cè)噪聲的非線性有約束系統(tǒng)，研究了能有效處理約束的滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)(Moving Horizon Estimation, MHE)方法。根據(jù)分離性原則，將滾動(dòng)時(shí)域估計(jì)方法與分布式模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于MHE的分布式模型預(yù)測(cè)控制器，給出了控制器設(shè)計(jì)的主要部分，預(yù)測(cè)控制器性能優(yōu)劣