【摘要】：隨著市場(chǎng)需求的多樣化,間歇過(guò)程引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的地位愈發(fā)重要。工業(yè)控制技術(shù),尤其是以模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control,MPC)為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,使得間歇過(guò)程控制理論逐漸成熟。近年來(lái),一些研究學(xué)者對(duì)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能表現(xiàn)出濃厚興趣,提出經(jīng)濟(jì)MPC(Economic Model Predictive Control,EMPC)算法提升經(jīng)濟(jì)性能,然而其主要理論和應(yīng)用都面向連續(xù)過(guò)程。本文圍繞間歇過(guò)程區(qū)別于連續(xù)過(guò)程的特點(diǎn),從經(jīng)濟(jì)性能的角度重新審視過(guò)程干擾、市場(chǎng)波動(dòng)、過(guò)程衰退等因素對(duì)過(guò)程所產(chǎn)生的影響,對(duì)間歇過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能問(wèn)題進(jìn)行研究,充分挖掘經(jīng)濟(jì)性能提升的空間,并取得以下成果:1.根據(jù)過(guò)程干擾對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的貢獻(xiàn)將其分為有利干擾和不利干擾,并針對(duì)不同類型的干擾采取不同的處理方式,提出了一種基于干擾的選擇反饋控制策略。該反饋控制策略直接作用于過(guò)程干擾,依據(jù)干擾的不同類型選擇不同的反饋控制律進(jìn)行處理。同時(shí),提出一種同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化與過(guò)程閉環(huán)動(dòng)態(tài)的經(jīng)濟(jì)集成魯棒設(shè)計(jì),關(guān)注經(jīng)濟(jì)性能的同時(shí)提升控制系統(tǒng)處理過(guò)程干擾的魯棒性。反饋控制策略的最優(yōu)參數(shù)由該經(jīng)濟(jì)集成魯棒設(shè)計(jì)統(tǒng)一優(yōu)化獲得,可以借助過(guò)程干擾提升間歇過(guò)程的平均經(jīng)濟(jì)性能;2.根據(jù)間歇過(guò)程的重復(fù)特性以及未知過(guò)程干擾的存在,提出一種基于迭代學(xué)習(xí)控制(Iterative Learning Control,ILC)的經(jīng)濟(jì)MPC算法,通過(guò)逐步學(xué)習(xí)過(guò)程干擾沿批次方向以及時(shí)間方向的變化,根據(jù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)對(duì)控制作動(dòng)加以修改,使得間歇過(guò)程運(yùn)行在實(shí)際經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu)的操作工況,提升間歇過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能。基于ILC的經(jīng)濟(jì)MPC分為批次間和批次內(nèi)兩個(gè)部分,前者學(xué)習(xí)批次方向過(guò)程干擾的重復(fù)性以供后續(xù)批次參考,后者學(xué)習(xí)時(shí)間方向過(guò)程干擾的隨機(jī)性避免影響后續(xù)批次;3.根據(jù)間歇過(guò)程有限批次運(yùn)行時(shí)間以及過(guò)程終端獲得產(chǎn)品的特點(diǎn),提出了一種基于平均經(jīng)濟(jì)性能非固定終端時(shí)間的經(jīng)濟(jì)MPC。該算法將終端時(shí)間作為優(yōu)化變量,使其可以根據(jù)過(guò)程干擾的變化合理地選擇批次運(yùn)行時(shí)間;此外,將平均經(jīng)濟(jì)性能作為目標(biāo)函數(shù),不但考慮單個(gè)批次經(jīng)濟(jì)獲益,同時(shí)考慮獲益的時(shí)間成本,使得單位時(shí)間經(jīng)濟(jì)收益最高。針對(duì)過(guò)程出現(xiàn)重大干擾而終端約束不可達(dá)或者經(jīng)濟(jì)收益無(wú)法保證的問(wèn)題,提出提前終止機(jī)制,在線判斷,及時(shí)停止,減少重大干擾所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失;4.根據(jù)間歇過(guò)程特例——批次到批次(Run-to-Run)過(guò)程中存在的過(guò)程衰退問(wèn)題,提出了一種基于衰退的偏最小二乘(Partial Least Square,PLS)建模方法,通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)PLS內(nèi)部模型添加衰退項(xiàng)的方式,同時(shí)解決多變量過(guò)程耦合問(wèn)題以及過(guò)程衰退建模問(wèn)題。針對(duì)過(guò)程衰退引起的最優(yōu)操作工況偏移的問(wèn)題,提出經(jīng)濟(jì)Run-to-Run控制取代原先的跟蹤Run-to-Run控制,隨著過(guò)程衰退的進(jìn)行,依據(jù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)逐步移動(dòng)操作工況,獲得實(shí)際最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能。
【圖文】：

根據(jù)預(yù)測(cè)模型和當(dāng)前測(cè)量的狀態(tài)，在線求解一個(gè)有限時(shí)域的開環(huán)優(yōu)化問(wèn)題，將得到逡逑的控制序列的第一個(gè)元素作用于被控對(duì)象，并在下一采樣時(shí)刻重復(fù)上述過(guò)程［２１］。這段描逡逑述中包含了邋ＭＰＣ的三大要素，，預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，其示意圖如圖１．１所示。逡逑ＭＰＣ作為一種基于模型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)化問(wèn)題中的系統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的描逡逑過(guò)去Ａ邐未來(lái)／預(yù)測(cè)逡逑？邐？逡逑邐設(shè)定值ｒ逡逑一一一邐逡逑一－－一’邋預(yù)測(cè)狀態(tài)逡逑閉環(huán)輸出邐一逡逑ｋ時(shí)亥＾測(cè)控制序列逡逑ｕ（ｋ）邐！邐１邐１逡逑￣￣｜邐卜＿：＿廣丨一逡逑邐邐｜＿ｕ（ｋ＋ｌ）邋Ｉ－－１逡逑閉環(huán)輸入邐丨１＿＿」逡逑時(shí)刻預(yù)測(cè)控制序列逡逑邐邐？邐＾逡逑ｋ＋１邐ｋ＋Ｍ邐ｋ＋Ｐ逡逑＾邋控制時(shí)域Ｍ邋＾逡逑１邐預(yù)測(cè)時(shí)域Ｐ邐１逡逑圖１．１模型預(yù)測(cè)控制示意圖逡逑述可以是任意形式的，只要其可以根據(jù)當(dāng)前測(cè)量值預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)動(dòng)態(tài)［１３］。在標(biāo)準(zhǔn)ＭＰＣ逡逑中通常采用線性模型，同時(shí)也有研究學(xué)者根據(jù)過(guò)程的非線性提出非線性ＭＰＣ邋（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ逡逑３逡逑

邐＾邋ｙ／邋ｊ／ｊ／／逡逑ｘ逡逑圖２．２邋ＣＦＣ和ＡＦＣ的控制行為對(duì)經(jīng)濟(jì)性能影響的對(duì)比示意圖逡逑很明顯，圖２．２中，在經(jīng)濟(jì)性能有利的一方，Ｃ點(diǎn)才是最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性能的點(diǎn)，而在經(jīng)濟(jì)逡逑性能不利的一方，Ｄ點(diǎn)才是經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的點(diǎn)。在傳統(tǒng)控制中，所有導(dǎo)致偏離設(shè)定工況的逡逑干擾對(duì)系統(tǒng)的影響都應(yīng)該被消除或減弱這樣的理念是采用ＣＦＣ算法最令人信服的理由。逡逑因此，反而言之，如果希望盡可能高的提升經(jīng)濟(jì)性能，很有必要針對(duì)不同類型的干擾采用逡逑不同的措施。對(duì)有利與不利干擾分別采用兩種反饋控制參數(shù)可將平均操作工況從原先的逡逑標(biāo)稱值移向具有更優(yōu)經(jīng)濟(jì)性能的操作工況（ｘａｖｇ，ｕａｖｇ），如圖２．２中藍(lán)色圓點(diǎn)所示。本章提逡逑出一種針對(duì)過(guò)程干擾的ＡＦＣ算法，其中一組ＡＦＣ的控制參數(shù)用來(lái)充分利用有利干擾而另逡逑一組ＡＦＣ的控制參數(shù)用來(lái)抑制不利干擾。逡逑２．４基于干擾選擇反饋控制的經(jīng)濟(jì)集成魯棒設(shè)計(jì)逡逑２．４．１基于干擾的反饋控制策略逡逑在先前的研究工作中，基于誤差的反饋控制就是如式（２．１４）所示。已知實(shí)際狀態(tài)和標(biāo)逡逑稱狀態(tài)之間的誤差化⑷，相應(yīng)的輸入變化如⑷可以通過(guò)乘以反饋增益矩陣Ｋ⑷計(jì)算獲逡逑得。從跟蹤的角度看，基于誤差的反饋控制算法直接作用在偏差上，所以其在跟蹤問(wèn)題體逡逑系中是合理的。將式（２．１４）帶入式（２．７）中可得如下等式：逡逑５ｎ｛ｔ）邋＝邋Ｋ（ｔ）邋［Ａ（ｔ邋－邋＼）５ｘ｛ｔ邋－邋１）邋＋邋Ｂｕ（ｔ邋－邋ｌ）５ｕ（ｔ邋－邋１）邋＋邋Ｂｄ｛ｔ
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP273

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本文編號(hào)：2647122