双层结构预测控制稳态优化方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘建帮 |
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 胡静涛 ; 邹涛 |
| 关键词 | 双层结构预测控制 稳态优化 可行性 经济自优化 目标跟踪 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 检测技术与自动化装置 |
| 其他题名 | Research on Steady-state Optimization of Two-layer Model Predictive Control |
| 英文摘要 | 流程工业作为国民经济的基础行业之一，其自动化水平的提高对节能降耗、提高经济效益、减少环境污染具有重要意义。以双层结构预测控制(Model predictive control, MPC)为代表的先进控制技术发展与突破，则是提升自动控制闭环水平的重要途径之一。稳态优化作为双层MPC算法的核心，是其区别于其他预测控制类算法的重要标志。但由于其起源于工业应用，理论支撑相对薄弱。部分解决实际问题的工程措施仅追求简单实用，从理论角度而言存在缺陷，导致巨大经济效益的流失。因此，本文深入研究双层MPC稳态优化方法，针对其可行性、经济性能、跟踪性能和工程适用能力，提出一系列创新性成果。(1) 基于扩展升序策略的稳态优化可行性分析方法。可行性判定与软约束调整是实现稳态优化可行性分析的重要方法。但本文研究发现，现有优先级升序策略在某些特殊情况下无法完美解决可行性问题。针对现有策略的不完备问题，提出一种预先考虑所有高级别硬约束的扩展升序策略。首先，通过设计特例分析，探索了现有策略的不完备问题成因。其次，通过在每一级别判定与调整过程中预先引入所有高级别硬约束，保证了后续任意级别的可行性。而后，针对所提扩展策略开展完备性证明，确保了所提策略可靠性。最终，给出完整的算法流程，为科研工作者提供了应用指导。丰富的仿真结果证明了所提扩展策略明显优于现有加权判定策略和决策变量方法。(2) 基于全局稳态指导的局部经济自优化方法。作为稳态优化最常用的模式之一，经济自优化在寻找最优操作稳态、提高系统经济效益等方面发挥了巨大作用。但本文研究发现，稳态增量约束的存在易导致自优化所得局部最优经济稳态一定程度偏离全局最优经济稳态，严重影响系统经济效益。针对该偏离问题，提出一种基于全局最优经济稳态指导的局部稳态加权确定方法。首先，通过计算局部最优经济稳态与全局最优经济稳态的方向夹角，确定局部稳态偏离程度。其次，参照目标跟踪策略，基于经济代价确定跟踪权重，在局部可行域内优化得到距离全局最优经济稳态最近的局部稳态。而后，基于偏离程度整定加权系数，实现对局部最优经济稳态和局部最近稳态的合理加权。分析表明，该加权策略有效提高了系统稳态与动态响应速度，带来了可观的经济效益提升。仿真结果验证了该方法有效性及其在模型失配工况下的鲁棒性。(3) 考虑稳态增量约束的局部目标跟踪优化策略。基于前期研究成果，探索稳态增量约束对目标跟踪与经济自优化影响的异同点。针对稳态增量约束导致目标跟踪稳态轨迹非全局最优的问题，提出一种考虑稳态增量约束的稳态轨迹优化策略。首先，在优化过程中引入预测时域，形成目标跟踪稳态轨迹优化基本架构。其次，计算预测时域理论下界，保证了稳态优化轨迹的全局最优性。而后，参照MPC稳定性证明，分析所提稳态轨迹优化策略稳定性和保稳定性方法。最后，在假定全局最优经济稳态存在且保持不变的情况下，进一步扩展该策略至经济自优化模式，可有效提高系统响应速度和经济性能。分析表明，该方法可作为局部稳态优化和全局稳态优化的替代，也可与二者并存作为稳态优化的第三种模式。仿真结果证明所提策略可有效保证稳态优化轨迹的全局最优性，继而带来更好的跟踪和经济性能。(4) 大型空分装置自动变负荷协同优化控制。空分装置是一种用于生产气态和液态氧气、氩气、氮气的具有高度热集成和物料再循环特性的复杂化工过程，运行过程需消耗大量电力能源。对空分过程进行优化，可带来显著的经济效益。针对某30000立/时大型空分装置，基于完整的双层MPC算法，设计了一种自动变负荷协同优化控制系统。首先，针对强耦合高度非线性的制氧系统，设计了一种集成被控变量优先级设置和弱耦合结构模型的强鲁棒性优化策略，提高了控制系统稳定性。其次，针对变负荷过程中氧气产量与空压机流量不成线性关系的问题，提出一种基于神经网络的增量式负荷平衡计算，有效保证了变负荷过程平稳运行。最后，针对氧压机回流阀滞回非线性特性，提出基于回流阀设定值与压比的不同状态，实时调整回流阀外部目标，合理减少了系统波动。工程应用效果证明该控制系统适用于强耦合高度非线性的大型空分装置，可带来可观的经济效益提升。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 125页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28997]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_数字工厂研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘建帮. 双层结构预测控制稳态优化方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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