過程控制系統(tǒng)結構優(yōu)化與設計.pdf

1、過程控制系統(tǒng)結構進行優(yōu)化和設計的目標是對整個過程的控制系統(tǒng)體系做出一些“結構性的”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構設計開展于流程工藝藍圖設計和具體運行實施(控制器設計、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。本文對控制結構設計的變量選擇和確定變量之間關系這兩個關鍵問題進行了研究，其中著重研究了被控變量選擇和分散控制結構的設計問題，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)化問題轉化為設定值跟蹤問題，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)關系，并選取這些函數(shù)

3、關系為被控變量，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，以此作為設計分散控制結構的依據(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)有方法的重要總結和補充。由此產(chǎn)生的計算復雜性問題，基于遺傳算法對配對問題進行了探索性的研究并開發(fā)了相應的配對算法，使得高維系統(tǒng)的分散控制結構設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構的分支定界算法。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構篩選。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，是設計分散控制結構的另一項指標。最后，結合耦合性衡量指標和完整度，小結了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為基礎發(fā)展而來的大部分分散控制結構設計方法，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)了相應的多目標優(yōu)化的遺傳配對算法。
　　 5.歸納總結了系統(tǒng)性的控制結構設計步驟，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