聚合反应过程的分布式模型预测控制策略研究

论文摘要

聚合反应过程往往表现为强耦合性、不确定性、强非线性和动力学机理复杂等特征,且从生产工艺上一般由若干个子系统构成,子系统之问存在着复杂的关联。模型预测控制由于其对生产中各种约束的有效处理能力,已被广泛地应用在聚合反应过程中。随着计算机网络的迅速发展,预测控制作为一种信息处理手段已不限于集中式的控制,而更多地为分布式控制所取代,这就给传统的控制问题带来了新的挑战和要求。本文以大型聚合反应过程的动态优化控制系统为背景,研究了聚合反应动态特性以及分布式模型预测控制器设计等问题,主要研究成果如下：以聚苯乙烯反应过程为例分析了聚合过程的反应动力学机理,讨论了聚合反应过程中的重要被控变量,研究了聚苯乙烯本体热聚合过程模型,分析讨论了苯乙烯在连续搅拌釜式反应器中进行热引发本体聚合行为。通过仿真实验分析了聚合反应的多稳态性、可行温度操作区域及聚合反应器温度与聚合产物的数均分子量（NAMW）之间的关系。结果表明,聚合化工反应是一种复杂的化学反应过程,参数的改变可能会导致聚合反应产生多稳态现象及达到不可执行区域。聚合反应器温度决定了代表产物质量的数均分子量及其分布,它是聚合反应过程中的至关重要的操作条件。研究了大规模系统的典型预测控制方法,针对聚合反应过程的牌号切换问题,给出了一种分布式模型预测控制算法,该算法建立了基于目标跟踪的子系统性能指标具体形式,该子系统性能优化指标充分考虑了其它子系统目标函数产生的关联影响,并采用组合状态空间模型描述子系统特性,详细推导了控制律求解过程,给出了带约束关联优化性能指标二次规划的解析形式。最后将该算法应用到苯乙烯聚合反应过程中,并与多种预测控制策略作比较,充分验证了算法的有效性,为分布式预测控制策略在聚合反应过程牌号切换问题上的应用做出了重要贡献。针对一类仅使用大批历史数据结构未知的非线性工业过程,基于数据驱动及局部建模的基本思想,提出一种基于局部模型算法的在线多模型辨识策略。给出了一种对初始值的选取不敏感的K-Harmonic Means（KHM）聚类数据库搜索策略,该策略简单可行,可缩短搜索时间,提高搜索效率。从向量相似的角度提出了一种新的选择数据信息（即建模邻域Qk（x）的确定）的方法,有效提高了获得当前时刻系统最佳局部模型的数据精确度。给出了权值选定的适合度标准及带宽h选择的快速方法。最后对算法进行了特性分析及仿真研究,并与其它局部建模算法的计算结果作了比较,验证了本文辨识算法的有效性。针对一类系统结构未知的聚合反应过程,将本文的局部模型在线辨识算法与过程控制相结合,提出了一种多模型分布式模型预测控制算法。在每一时刻,首先得到当前工况下的参数模型形式,提出一种模型结构变换及结构重组的方法,分离出各子系统的内部信息及与其它子系统间的关联信息,并将子系统状态向量进行扩维处理,得到包含全局信息的子系统状态空间组合模型,建立了多模型分布式模型预测控制器设计的全过程。该算法可在线实时更新过程模型参数,简单可行,不仅解决了一类结构未知的聚合反应过程中的分布式预测控制问题,还弥补了现有分布式模型预测控制中采用单一全局线性模型,不能充分表述非线性系统特性的不足。最后通过在聚合反应过程中的应用,说明本文算法可以使系统动态特性得到明显改善。对于存在过程干扰和量测噪声的非线性有约束系统,研究了能有效处理约束的滚动时域估计（Moving Horizon Estimation, MHE）方法。根据分离性原则,将滚动时域估计方法与分布式模型预测控制相结合,设计了基于MHE的分布式模型预测控制器,给出了控制器设计的主要部分,预测控制器性能优劣直接依赖于对系统关键状态估计的准确性。最后将基于MHE的分布式模型预测控制应用到聚合反应过程中,充分说明了该算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分布式预测控制研究现状
• 1.2.1 分布式模型预测控制的基本原理
• 1.2.2 子系统模型结构确定
• 1.2.3 控制问题分解及设计
• 1.2.4 子控制器间的协调方案
• 1.2.5 分布式模型预测控制系统分析
• 1.3 聚合反应工程及控制策略研究
• 1.3.1 聚合反应过程概述
• 1.3.2 前馈控制系统
• 1.3.3 反馈-前馈控制系统
• 1.3.4 聚合反应过程中的预测控制策略
• 1.3.5 聚合反应过程中的状态估计技术
• 1.4 本文的研究工作及内容安排
• 第2章 聚合反应过程的调节与动态特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 聚合反应动力学机理
• 2.2.1 链引发反应
• 2.2.2 链增长反应
• 2.2.3 链终止反应
• 2.3 聚合反应过程的调节及重要被控变量
• 2.3.1 聚合反应过程的测量技术
• 2.3.2 温度的控制
• 2.3.3 聚合速率及分子量的控制
• 2.4 CSTR中苯乙烯本体热聚合过程模型化和仿真分析
• 2.4.1 聚苯乙烯连续搅拌反应槽动力学模型
• 2.4.2 苯乙烯聚合反应动态特性分析
• 2.5 小结
• 第3章 分布式MPC算法在聚合过程中的应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 预测控制的基本原理
• 3.3 大规模系统的常规预测控制策略
• 3.3.1 集中模型预测控制
• 3.3.2 分散模型预测控制
• 3.3.3 通信分布式模型预测控制
• 3.4 聚合过程的分布式模型预测控制器设计
• 3.4.1 状态空间模型结构分解
• 3.4.2 子控制器优化问题描述
• 3.4.3 组合状态空间模型预测输出
• 3.4.4 控制律求解
• 3.4.5 算法小结
• 3.5 分布式预测控制在聚合过程中应用研究
• 3.5.1 反应机理模型
• 3.5.2 分布式控制策略设计
• 3.5.3 结果比较
• 3.6 小结
• 第4章 基于数据驱动及局部建模策略的多模型辨识方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 局部建模策略的基本思想
• 4.3 多模型局部建模策略
• 4.3.1 建模问题分解
• 4.3.2 数据库搜索结构
• 4.3.3 工作点邻域的确定
• 4.3.4 权值的选择
• 4.3.5 多模型辨识算法小结
• 4.4 算法的优缺点
• 4.5 仿真分析
• 4.6 小结
• 第5章 苯乙烯聚合反应过程的多模型分布式预测控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 ARX局部模型辨识
• 5.3 系统模型结构转换
• 5.4 系统模型结构重组
• 5.5 子系统状态向量扩维
• 5.6 控制器设计
• 5.7 多模型分布式预测控制算法步骤
• 5.8 多模型分布式MPC在聚合过程中的应用研究
• 5.8.1 聚合反应温度控制
• 5.8.2 聚合反应液位控制
• 5.9 小结
• 第6章 基于MHE的分布式预测控制在聚合过程中的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 常用非线性估计方法概述
• 6.2.1 扩展卡尔曼滤波
• 6.2.2 Unscented滤波
• 6.2.3 粒子滤波
• 6.3 基于MHE的分布式预测控制器设计
• 6.3.1 MHE的基本思想
• 6.3.2 滚动时域估计理论研究
• 6.3.3 MHE分布式预测控制器设计
• 6.4 带噪声聚合反应过程控制研究
• 6.5 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作的总结
• 7.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文