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

1、過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)整個(gè)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(jì)效益?？刂平Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展于流程工藝藍(lán)圖設(shè)計(jì)和具體運(yùn)行實(shí)施(控制器設(shè)計(jì)、整定與維護(hù))這兩大主要階段之間，扮演著承上啟下的橋梁作用。本文對(duì)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變量選擇和確定變量之間關(guān)系這兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)在線不可測(cè)的NCO條件，使用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法找到可測(cè)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(duì)性地克服了現(xiàn)有方法兩個(gè)最大的局限性：(1)只適用于線性模型；(2)只能以測(cè)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(jì)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(jì)特性，將多變量過程的耦合特性分析推廣到了任意兩個(gè)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(biāo)，以此作為設(shè)計(jì)分散控制結(jié)構(gòu)的依據(jù)。新方法彌補(bǔ)了相對(duì)增益矩陣(RGA)等

4、工具在衡量耦合性方面的缺點(diǎn)和不足，是對(duì)現(xiàn)有方法的重要總結(jié)和補(bǔ)充。由此產(chǎn)生的計(jì)算復(fù)雜性問題，基于遺傳算法對(duì)配對(duì)問題進(jìn)行了探索性的研究并開發(fā)了相應(yīng)的配對(duì)算法，使得高維系統(tǒng)的分散控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在有限時(shí)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(biāo)。首先，針對(duì)完整性判定這個(gè)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(duì)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(biāo)：完整度，新指標(biāo)克服了原有概念過于保守等缺點(diǎn)，量化地表征了控制系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)時(shí)保持穩(wěn)定性的能力，是設(shè)計(jì)分散控制結(jié)構(gòu)的另一項(xiàng)指標(biāo)。最后，結(jié)合耦合性衡量指標(biāo)和完整度，小結(jié)了Ⅵ-EID配對(duì)準(zhǔn)則。
　　 4.進(jìn)一步研究了分散控制系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力，提出了一個(gè)度量新標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)方法，沒有包含擾動(dòng)變量對(duì)控制系統(tǒng)的影響。通過評(píng)估控

6、制器處于不同工作狀態(tài)時(shí)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制性能，提出了一個(gè)度量新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)克服了其他評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)，能夠衡量分散控制系統(tǒng)總的擾動(dòng)抑制能力。另外，繼續(xù)發(fā)展了單目標(biāo)優(yōu)化的遺傳配對(duì)算法，以本文提出的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方式進(jìn)行了歸納簡(jiǎn)化，基于NSGA-Ⅱ開發(fā)了相應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳配對(duì)算法。
　　 5.歸納總結(jié)了系統(tǒng)性的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，主要包括操作優(yōu)化目標(biāo)的確定、操作自由度分析、變量選擇、常規(guī)控制回路確立、變