專利名稱：：一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制領(lǐng)域，尤其是一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：采用最優(yōu)控制方法來解決工業(yè)過程優(yōu)化控制中的瓶頸問題和挖潛增效，已經(jīng)越來越受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。工業(yè)過程動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化模型往往是包含一組復(fù)雜的大規(guī)模非線性微分方程，此外還包括非線性的等式或不等式路徑約束和點(diǎn)約束。因此，最優(yōu)控制的難點(diǎn)就在于需要在動態(tài)模型的基礎(chǔ)上尋求目標(biāo)泛函的最優(yōu)值，其實(shí)質(zhì)是求解一個無限維的優(yōu)化問題。通常使用的迭代動態(tài)規(guī)劃法、遺傳算法、粒子群算法、隨機(jī)優(yōu)化法、模擬退火法等，已經(jīng)能夠找到工業(yè)過程最優(yōu)控制問題的數(shù)值解，但是往往出現(xiàn)計(jì)算不準(zhǔn)確或收斂緩慢的問題，很難既保證所得最優(yōu)控制結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性，又滿足最優(yōu)控制求解過程的快速性。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)及方法的很難既準(zhǔn)確又快速地找到最優(yōu)解、適用性差的不足，本發(fā)明提供了一種能夠準(zhǔn)確找到復(fù)雜非線性最優(yōu)控制問題的解且收斂速度很高、適用性廣的自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，包括與工業(yè)過程對象連接的現(xiàn)場智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)，所述工業(yè)過程對象、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)包括初始化模塊，用于初始參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)變量x(t)和控制變量u(t)的離散化與初始賦值，具體步驟如下(1.1)將時(shí)域te[t0，tf]分割成NE段[tQ，tJ，[t1;t2]，···，[tiptj，其中tNE=tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為hi;i=1，2，...，NE，用h表示NE維時(shí)間分段變量，設(shè)其初始值為h°，其中、表示起始時(shí)刻，tf表示終止時(shí)刻；(1.2)設(shè)時(shí)間分段te[ti，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(1.3)設(shè)η維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為Xij,i=1,2,...，NE；j=0,1,...，K，m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為Ui，i=1，2，...，NE；j=1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為x/j°，控制變量系數(shù)的初始值為u/3；(1.4)設(shè)置優(yōu)化的收斂精度為ζ；變量離散模塊，用于對狀態(tài)變量和控制變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即在時(shí)間分段te[ti_i，tj(i=1,2,...,NE)內(nèi)，將狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，并將控制變量離散配置為分段常量式⑵；其中，t=tH+、τ，i=1，2，…，ΝΕ，τe,λ(τ)是狀態(tài)變量的插值基函數(shù)，為K次多項(xiàng)式式(3)中，τ。=0，、為1(階勒讓德多項(xiàng)式的根，j=1,2,...,K；約束處理模塊，用于處理控制變量u(t)邊界約束，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度Iii的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)(3.1)在每個時(shí)間分段te[tH，ti]上，i=1，2，...，NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束其中，上標(biāo)ub、Ib分別表示上下邊界，uub、Ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(3.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb和hub，hlb、hube(0，tf]，對分段長度Iii實(shí)行約束模型變換模塊，用于將最優(yōu)控制問題的模型離散化，并增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件和約束處理模塊的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(4.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，Ψ表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，Xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值(4.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程式(8)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，δ表示時(shí)不變參數(shù)且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，χ(t0)為給定的狀態(tài)變量初值(4.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化，G、H均是函數(shù)變量^r=1，2，...，NE，j=1，2，...，K(10)(4.4)增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件Χ吼ο=Σ+⑴·χμ.i=1,2,...,NE-I(11)(4.5)獲取約束處理模塊的約束條件式⑷(6)，并結(jié)合式(7)(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題；求解模塊，用于求解模型變換模塊得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)Xij、控制變量離散參數(shù)Ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以x/u,0和h°為初始解，求解得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)Xi/、控制變量離散參數(shù)U^最優(yōu)時(shí)間分段『，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值J*。進(jìn)一步，所述的上位機(jī)還包括信號采集模塊，用于設(shè)定采樣時(shí)間，采集現(xiàn)場智能儀表的信號。再進(jìn)一步，所述的上位機(jī)還包括結(jié)果輸出模塊，用于將求解模塊計(jì)算出的最優(yōu)控制變量離散參數(shù)Ui*轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制軌線u*(t)，然后將u*(t)和最優(yōu)目標(biāo)值J*傳輸給DCS系統(tǒng)，并在DCS系統(tǒng)中顯示所得到的優(yōu)化結(jié)果信息。一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制方法，所述的最優(yōu)控制方法包括以下步驟()在DCS系統(tǒng)中指定狀態(tài)變量和控制變量，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的條件和操作限制的條件設(shè)定控制變量的上下邊界uub、ulb和DCS的采樣周期，并將DCS數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)各變量的歷史數(shù)據(jù)，控制變量上下邊界值uub、ulb傳送給上位機(jī)；2)對初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對DCS系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，按照以下步驟完成(2.1)將時(shí)域te[t。，tf]分割成NE段[t。，tj，[t1t2]，…，[tNE_1tNE]，其中tNE=tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為hi，i=1，2，...，NE，用h表示NE維時(shí)間分段變量，并設(shè)置其初始值h°，一般可取h°為tf/NE；(2.2)設(shè)時(shí)間分段te[ti，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(2.3)設(shè)η維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為Xij,i=1,2,...，NE；j=0,1,...，K，m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為Ui，i=1，2，...，NE；j=1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為x/，控制變量系數(shù)的初始值為u/3；(2.4)設(shè)優(yōu)化的收斂精度為ζ；3)將時(shí)間分段te[Wi](i=1,2,...,NE)上的狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，并將控制變量離散配置為分段常量式(2):u(t)=Uii=1,2,...,NE(2)其中，xu、Ui分別為狀態(tài)變量和控制變量的離散配置參數(shù)，λ(τ)是狀態(tài)變量的插值基函數(shù)式⑶，t經(jīng)由中間變量τ轉(zhuǎn)換為t=t^+hiτ，i=1，2，...，ΝΕ，τ=,式⑶中，τ。=0，^為1(階勒讓德多項(xiàng)式的根，j=1，2，...，K;4)對控制變量u(t)邊界約束進(jìn)行處理，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度hi的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)8(4.1)在每個時(shí)間分段te[t^，tj上，i=1，2，···，NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束其中，上標(biāo)ub、Ib分別表示上下邊界，uub、Ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(4.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb*hub，hlb、hube(0，tf]，對分段長度h實(shí)行約束NE5)將最優(yōu)控制問題的模型離散化后增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件，并結(jié)合約束處理模塊的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(5.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，Ψ表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，Xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值(5.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程式(8)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，δ表示時(shí)不變參數(shù)且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，χ(t0)為給定的狀態(tài)變量初值Xlj0=x(t0)(9)(5.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化(G、H均是函數(shù)變量)^r=1，2，...，NE，j=1，2，...，K(10)(5.4)增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件KΧ吼ο=Σ+⑴·χμ.i=1,2,...,NE-I(11)J=O(5.5)獲取約束處理模塊的約束條件式(4)(6)，并結(jié)合式(7)(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題；6)求解模型變換模塊得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)Xij、控制變量離散參數(shù)Ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以x/u/3和h°為初始解，利用RSQP方法求解，得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)Xi/、控制變量離散參數(shù)1^、最優(yōu)時(shí)間分段『，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值Γ，然后將這些優(yōu)化結(jié)果傳給結(jié)果輸出模塊。進(jìn)一步，所述步驟(1)中，將現(xiàn)場智能儀表所采集的工業(yè)過程對象的數(shù)據(jù)傳送到DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，在每個采樣周期從DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫得到的最新數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)，并在上位機(jī)的初始化模塊進(jìn)行初始化處理。再進(jìn)一步，所述步驟(6)中，將得到的最優(yōu)控制變量離散參數(shù)Λ將通過結(jié)果輸出模塊轉(zhuǎn)換為最優(yōu)控制曲線u*(t)，并在上位機(jī)的人機(jī)界面上顯示u*(t)和最優(yōu)目標(biāo)值J*；同時(shí)，最優(yōu)控制曲線將通過數(shù)據(jù)接口傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS系統(tǒng)中顯示所得到的優(yōu)化結(jié)果信息。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地尋找到工業(yè)過程非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，而且具有求解效率高、適用性好的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)過程最優(yōu)控制的各個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。圖1是本發(fā)明所提供的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明上位機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制方法的原理結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖具體說明本發(fā)明。實(shí)施例1參照圖1、圖2，一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，包括與工業(yè)過程對象1連接的現(xiàn)場智能儀表2、DCS系統(tǒng)以及上位機(jī)6，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫5構(gòu)成；現(xiàn)場智能儀表2、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)6通過現(xiàn)場總線依次相連，所述的上位機(jī)6包括初始化模塊8，用于初始參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)變量x(t)和控制變量u(t)的離散化與初始賦值，具體步驟如下(2.1)將時(shí)域te[t。，tf]分割成NE段[t。，tj，[t1t2]，…，[tNE_1tNE]，其中tNE=tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為Mi=1,2,...,NE)，用h表示NE維時(shí)間分段變量，設(shè)其初始值為h°，其中、表示起始時(shí)刻，tf表示終止時(shí)刻；(2.2)設(shè)時(shí)間分段te[t^，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(2.3)設(shè)η維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為Xij,i=1,2,...，NE；j=0,1,...，K，m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為Ui，i=1，2，...，NE;i=1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為x/，控制變量系數(shù)的初始值為u/3；(2.4)設(shè)置優(yōu)化的收斂精度為ζ(當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)值迭代誤差小于收斂精度時(shí)，停止迭代)變量離散模塊9，用于對狀態(tài)變量和控制變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即在時(shí)間分段te[ti_i，ti]內(nèi)，i=1，2，...，NE，將狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，并將控制變量離散配置為分段常量式⑵；u(t)=Uii=1,2,...,NE(2)其中，t=、-外τ,i=1,2,...,NE,τe,λ(τ)是狀態(tài)變量的插值基函數(shù)，為K次多項(xiàng)式式(3)中，τ。=0，τ」為K階勒讓德多項(xiàng)式的根，j=1，2，···，K。約束處理模塊10，用于處理控制變量u(t)邊界約束，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度Iii的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)(4.1)在每個時(shí)間分段te[、，tj上，i=1，2，···，NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束Ulb彡Ui彡Uubi=1，2，···，NE(4)其中，上標(biāo)ub、Ib分別表示上下邊界，uub、Ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(4.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb*hub，hlb、hube(0，tf]，對分段長度h實(shí)行約束hlb^^^hub,i=1,2,...,NE(5)NE^h1=tf(6)i=l模型變換模塊11，用于將最優(yōu)控制問題的模型離散化，并增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件和約束處理模塊10的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(5.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，Ψ表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，Xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值KminJ=Ψ(xf)，其中，x/=Σ4(^xNE,;(7)J=O(5.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程(式(11)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，δ表示時(shí)不變參數(shù))K·J^Ak(Tj)Xjk-H1-F(Xy5Ui^)=O,i=1，2，···，ΝΕ，j=1，2，···，K(8)k=Q且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，XUtl)為給定的狀態(tài)變量初值Xlj0=x(t0)(9)(5.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化，G、H均是函數(shù)變量^r=1，2，...，NE，j=1，2，...，K(10)(5.4)增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件KXi.代ο刀+⑴·3^i=1,2,...,NE-I(11)J=O(5.5)獲取約束處理模塊10的約束條件式(4)(6)，并結(jié)合式(7)(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題。求解模塊12，用于求解模型變換模塊11得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)X『控制變量離散參數(shù)Ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以x/u/3和為初始解，求解得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)Xi/、控制變量離散參數(shù)1^、最優(yōu)時(shí)間分段『，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值Γ，然后將這些優(yōu)化結(jié)果傳給結(jié)果輸出模塊13。所述的上位機(jī)6還包括信號采集模塊7，用于設(shè)定采樣時(shí)間，采集現(xiàn)場智能儀表211的信號；以及結(jié)果輸出模塊13，用于將求解模塊12計(jì)算出的最優(yōu)控制變量離散參數(shù)u廣轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制軌線，然后將u*(t)和最優(yōu)目標(biāo)值J*傳輸給DCS系統(tǒng)，并在DCS系統(tǒng)中顯示所得到的優(yōu)化結(jié)果信息。實(shí)施例2參照圖1和圖2，一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制方法，按照以下步驟實(shí)施1)、在DCS系統(tǒng)中指定狀態(tài)變量和控制變量，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的條件和操作限制的條件設(shè)定控制變量的上下邊界uub、ulb和DCS的采樣周期，并將DCS數(shù)據(jù)庫5中相應(yīng)各變量的歷史數(shù)據(jù)，控制變量上下邊界值uub、ulb傳送給上位機(jī)。2)在上位機(jī)的初始化模塊8中，對初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對DCS系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，按照以下步驟完成(2.1)將時(shí)域te[t。，tf]分割成NE段[t。，tj，[t1t2]，…，[tNE_1tNE]，其中tNE=tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為Mi=1,2,...,NE)，用h表示NE維時(shí)間分段變量，并設(shè)置其初始值h°，一般可取h°為tf/NE；(2.2)設(shè)時(shí)間分段te[tH，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(2.3)設(shè)η維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為Xij,i=1,2,...,NE；j=0,1,...,K,m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為Ui，i=1，2，...，NE；j=1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為x/，控制變量系數(shù)的初始值為u/3；(2.4)設(shè)優(yōu)化的收斂精度為ζ(一般可取為10_6)32)在上位機(jī)的變量離散模塊9中，將時(shí)間分段te[t^，tj(i=1,2,...,NE)上的狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，并將控制變量離散配置為分段常量式(2)Kχ(0=Σ/1;(ΓΚ;(!)J=Ou(t)=Uii=1,2,...,NE(2)其中，Xij、Ui分別為狀態(tài)變量和控制變量的離散配置參數(shù)，λ(τ)是狀態(tài)變量的插值基函數(shù)(式(3))，t經(jīng)由中間變量τ轉(zhuǎn)換為t=t^+hiτ(i=1，2，...，ΝΕ)，τ=，式(3)中τ。=0，τ」為1(階勒讓德多項(xiàng)式的根，j=1，2，...，Κ。Mt)=Πl(fā)z^(3)k=Q,Tj—Tk3)在上位機(jī)的約束處理模塊10中，對控制變量u(t)邊界約束進(jìn)行處理，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度h的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)(3.1)在每個時(shí)間分段te[t^，tj上，i=1，2，...，NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束Ulb彡Ui彡Uub(i=1,2,...,NE)(4)其中上標(biāo)ub、Ib分別表示上下邊界，uu\Ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(3.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb*hub，hlb、hube(0，tf]，對分段長度h實(shí)行約束hlb彡Iii彡hub，i=1，2，···，NE(5)4)在上位機(jī)的模型變換模塊11中，將最優(yōu)控制問題的模型離散化后增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件，并結(jié)合約束處理模塊10的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(4.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，Ψ表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，Xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值(4.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程式(1)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，δ表示時(shí)不變參數(shù)且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，XUtl)為給定的狀態(tài)變量初值Xlj0=x(t0)(9)(4.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化(G、H均是函數(shù)變量)^r=1，2，...，NE，j=1，2，...，K(10)(4.4)增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件KXi代ο刀+⑴·3^i=1,2,...,NE-I(11)J=O(4.5)獲取約束處理模塊10的約束條件式⑷(6)，并結(jié)合式(7)(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題。5)在上位機(jī)的求解模塊12中，用于求解模型變換模塊11得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)X『控制變量離散參數(shù)Ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以χ/u/3和h°為初始解，求解得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)Xi/、控制變量離散參數(shù)ιιΛ最優(yōu)時(shí)間分段『，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值J*，然后將這些優(yōu)化結(jié)果傳給結(jié)果輸出模塊13。本實(shí)施例的系統(tǒng)投運(yùn)過程為Α.利用定時(shí)器，設(shè)置好每次數(shù)據(jù)檢測和采集的時(shí)間間隔；B.現(xiàn)場智能儀表2檢測工業(yè)過程對象1的數(shù)據(jù)并傳送至DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫5中，得到最新的變量數(shù)據(jù)；C.在上位機(jī)6的初始化模塊8中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求和操作限制條件對各模塊相關(guān)參數(shù)和變量進(jìn)行初始化處理，將處理的結(jié)果作為變量離散模塊9、約束處理模塊10和求解模塊12的輸入；D.在上位機(jī)6的變量離散模塊9中，對狀態(tài)變量和控制變量同時(shí)進(jìn)行離散配置，結(jié)果作為模型變換模塊11和結(jié)果輸出模塊13的輸入；E.在上位機(jī)6的約束處理模塊10中，增強(qiáng)控制變量和時(shí)間分段變量的邊界約束，將處理的結(jié)果作為模型變換模塊11的輸入；F.在上位機(jī)6的模型變換模塊11中，根據(jù)變量離散模塊9的變量離散方程對優(yōu)化模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并結(jié)合約束處理模塊10的約束條件，得出問題傳給求解模塊12處理；G.上位機(jī)6的求解模塊12，依據(jù)初始化模塊8的初始值對模型變換模塊11輸入的問題進(jìn)行求解，并將優(yōu)化的結(jié)果傳給結(jié)果輸出模塊13；H.上位機(jī)6的結(jié)果輸出模塊13，根據(jù)變量離散模塊9的變量離散方程，將求解模塊12得出的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將所得的最優(yōu)控制結(jié)果信息傳輸給DCS系統(tǒng)，并顯示于上位機(jī)6的人機(jī)界面和DCS系統(tǒng)的控制站4，同時(shí)通過DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線將所得到的優(yōu)化結(jié)果信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場工作站進(jìn)行顯示，并由現(xiàn)場工作站來執(zhí)行最優(yōu)操作。上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，包括與工業(yè)過程對象連接的現(xiàn)場智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)，所述工業(yè)過程對象、智能檢測儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)依次相連，其特征在于所述的上位機(jī)包括初始化模塊，用于初始參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)變量x(t)和控制變量u(t)的離散化與初始賦值，具體步驟如下(2.1)將時(shí)域t∈[t0，tf]分割成NE段[t0，t1]，[t1，t2]，…，[tNE-1，tNE]，其中tNE＝tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為hi，i＝1，2，...，NE，用h表示NE維時(shí)間分段變量，設(shè)其初始值為h0，其中t0表示起始時(shí)刻，tf表示終止時(shí)刻；(2.2)設(shè)時(shí)間分段t∈[ti，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(2.3)設(shè)n維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為xij，i＝1，2，...，NE；j＝0，1，...，K，m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為ui，i＝1，2，...，NE；j＝1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為，控制變量系數(shù)的初始值為；(2.4)設(shè)置優(yōu)化的收斂精度為ζ；變量離散模塊，用于對狀態(tài)變量和控制變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即在時(shí)間分段t∈[ti-1，ti]內(nèi)，i＝1，2，...，NE，將狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，并將控制變量離散配置為分段常量式(2)；<mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msub><mi>λ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mi>ij</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>u(t)＝uii＝1，2，...，NE(2)其中，t＝ti-1+hiτ，i＝1，2，...，NE，τ∈，λ(τ)是狀態(tài)變量的插值基函數(shù)，為K次多項(xiàng)式<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Π</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mo>≠</mo><mi>j</mi></mrow><mi>K</mi></munderover><mfrac><mrow><mi>τ</mi><mo>-</mo><msub><mi>τ</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>j</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>τ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式(3)中，τ0＝0，τi為K階勒讓德多項(xiàng)式的根，j＝1，2，...，K；約束處理模塊，用于處理控制變量u(t)邊界約束，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度hi的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)(4.1)在每個時(shí)間分段t∈[ti-1，ti]上，i＝1，2，...，NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束ulb≤ui≤uubi＝1，2，...，NE(4)其中，上標(biāo)ub、lb分別表示上下邊界，uub、ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(4.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb和hub，hlb、hub∈(0，tf]，對分段長度hi實(shí)行約束hlb≤hi≤hub，i＝1，2，...，NE(5)<mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>NE</mi></munderover><msub><mi>h</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mi>tf</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>模型變換模塊，用于將最優(yōu)控制問題的模型離散化，并增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件和約束處理模塊的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(5.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，ψ表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值minJ＝ψ(xf)，其中<mrow><msub><mi>x</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msub><mi>λ</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>NE</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>(5.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程式(8)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，δ表示時(shí)不變參數(shù)<mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msub><mover><mi>λ</mi><mo>·</mo></mover><mi>k</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>τ</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mi>ik</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>h</mi><mi>i</mi></msub><mo>·</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mi>ij</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mi>δ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo></mrow>i＝1，2，...，NE，j＝1，2，...，K(8)且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，x(t0)為給定的狀態(tài)變量初值x1，0＝x(t0)(9)(5.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化，G、H均是函數(shù)變量<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>G</mi><mo>[</mo><msub><mi>x</mi><mi>ij</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mi>δ</mi><mo>]</mo><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>H</mi><mo>[</mo><msub><mi>x</mi><mi>ij</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mi>δ</mi><mo>]</mo><mo>≤</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced>i＝1，2，...，NE，j＝1，2，...，K(10)(5.4)增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1,0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msub><mi>λ</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow>i＝1，2，...，NE-1(11)(5.5)獲取約束處理模塊的約束條件式(4)～(6)，并結(jié)合式(7)～(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題；求解模塊，用于求解模型變換模塊得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)xij、控制變量離散參數(shù)ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以和h0為初始解，求解得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)xij*、控制變量離散參數(shù)ui*、最優(yōu)時(shí)間分段h*，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值J*。FDA0000022890890000011.tif,FDA0000022890890000012.tif,FDA0000022890890000031.tif,FDA0000022890890000032.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括信號采集模塊，用于設(shè)定采樣時(shí)間，采集現(xiàn)場智能儀表的信號。3.如權(quán)利要求1或2所述的自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括結(jié)果輸出模塊，用于將求解模塊計(jì)算出的最優(yōu)控制變量離散參數(shù)u廣轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制軌線，然后將u*(t)和最優(yōu)目標(biāo)值J*傳輸給DCS系統(tǒng)，并在DCS系統(tǒng)中顯示所得到的優(yōu)化結(jié)果信息。4.一種如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)控制方法，其特征在于所述的最優(yōu)控制方法包括以下步驟1)在DCS系統(tǒng)中指定狀態(tài)變量和控制變量，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的條件和操作限制的條件設(shè)定控制變量的上下邊界uub、ulb和DCS的采樣周期，并將DCS數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)各變量的歷史數(shù)據(jù)，控制變量上下邊界值uub、ulb傳送給上位機(jī)；2)對初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對DCS系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，按照以下步驟完成(2.1)將時(shí)域tG[t0,tf]分割成NE段其中tNE=tf，設(shè)每個時(shí)間分段長度為hyi=1，2，...，NE，用h表示NE維時(shí)間分段變量，并設(shè)置其初始值h°，一般可取h°為tf/NE；(2.2)設(shè)時(shí)間分段tG[、，ti+1]上的配置點(diǎn)個數(shù)為K；(2.3)設(shè)n維狀態(tài)變量x(t)的配置系數(shù)為Xij，i=1，2，...，NE;j=0，1，...，K，m維控制變量u(t)的離散參數(shù)為Ui，i=1，2，...，NE;j=1，2，...，K，并設(shè)狀態(tài)變量系數(shù)的初始值為x/，控制變量系數(shù)的初始值為u/3；(2.4)設(shè)優(yōu)化的收斂精度為4；i=1，2，...，NE并將(1)X)是狀態(tài)變量的插值.，NE，TG，式(3)3)將時(shí)間分段te[、，tj上的狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式(1)，控制變量離散配置為分段常量式(2)其中，x『Ui分別為狀態(tài)變量和控制變量的離散配置參數(shù)，入(基函數(shù)式⑶，t經(jīng)由中間變量X轉(zhuǎn)換為t=、為丁，i=1,2,.(3)中，％=0，、為K階勒讓德多項(xiàng)式的根，j=1，2，...，K;缺)=n^4)對控制變量u(t)邊界約束進(jìn)行處理，并增強(qiáng)時(shí)間分段長度、的約束，采取以下步驟來實(shí)現(xiàn)(4.1)在每個時(shí)間分段te[、，tj上，i=1,2,...,NE，對控制變量離散參數(shù)的邊界值進(jìn)行約束ulb^Ui^uubi=l，2，...，NE(4)其中，上標(biāo)ub、lb分別表示上下邊界，uu\ulb分別表示設(shè)定的控制變量上下邊界值；(4.2)設(shè)定每個時(shí)間分段長度的上下邊界值分別為hlb和hub，hlb、hub(0,tf]，對分段長度比實(shí)行約束5)將最優(yōu)控制問題的模型離散化后增加狀態(tài)變量連續(xù)性條件，并結(jié)合約束處理模塊的約束條件，將無限維的最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維的非線性規(guī)劃問題，按照以下步驟來實(shí)現(xiàn)(5.1)最優(yōu)控制問題的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為式(7)，V表示在終點(diǎn)條件下目標(biāo)函數(shù)的組成部分，xf表示終端時(shí)刻tf的狀態(tài)變量值(5.2)最優(yōu)控制問題的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為殘差方程式(8)，F(xiàn)表示函數(shù)變量，5表示時(shí)不變參數(shù)且狀態(tài)變量滿足以下初始條件，x(t0)為給定的狀態(tài)變量初值Xl,0=X(t0)(9)(5.3)將最優(yōu)控制問題的狀態(tài)變量路徑約束離散化，G、H均是函數(shù)變量4(5.5)獲取約束處理模塊的約束條件式(4)(6)，并結(jié)合式(7)(11)構(gòu)成非線性規(guī)劃問題；6)求解模型變換模塊得到的非線性規(guī)劃問題將狀態(tài)變量配置系數(shù)Xij、控制變量離散參數(shù)Ui和時(shí)間分段長度為h作為優(yōu)化變量，并以，x/u/3和h°為初始解，利用RSQP方法求解，得出最優(yōu)的狀態(tài)變量配置系數(shù)Xi/、控制變量離散參數(shù)U^最優(yōu)時(shí)間分段『，并由式(7)計(jì)算出最優(yōu)目標(biāo)值Γ，然后將這些優(yōu)化結(jié)果傳給結(jié)果輸出模塊。5.如權(quán)利要求4所述的最優(yōu)控制方法，其特征在于所述步驟(1)中，將現(xiàn)場智能儀表所采集的工業(yè)過程對象的數(shù)據(jù)傳送到DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，在每個采樣周期從DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫得到的最新數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)，并在上位機(jī)的初始化模塊進(jìn)行初始化處理。6.如權(quán)利要求4或5所述的最優(yōu)控制方法，其特征在于所述步驟(6)中，將得到的最優(yōu)控制變量離散參數(shù)ιιΛ將通過結(jié)果輸出模塊轉(zhuǎn)換為最優(yōu)控制曲線U*(t)，并在上位機(jī)的人機(jī)界面上顯示u*(t)和最優(yōu)目標(biāo)值J*;同時(shí)，最優(yōu)控制曲線u*(t)將通過數(shù)據(jù)接口傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS系統(tǒng)中顯示所得到的優(yōu)化結(jié)果信息。全文摘要一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制系統(tǒng)，包括與工業(yè)過程對象連接的現(xiàn)場智能儀表、DCS系統(tǒng)和上位機(jī)，工業(yè)過程對象、現(xiàn)場智能儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)依次連接，所述的上位機(jī)包括信號采集模塊、初始化模塊、變量離散模塊、約束處理模塊、模型變換模塊、求解模塊和結(jié)果輸出模塊；本發(fā)明還提供了一種自適應(yīng)同步策略的工業(yè)過程最優(yōu)控制方法，將控制變量分段離散配置并對時(shí)域分段長度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。本發(fā)明在處理復(fù)雜非線性工業(yè)過程最優(yōu)控制問題的過程中，求解穩(wěn)定、快速，而且計(jì)算準(zhǔn)確性高，是一種具有廣泛適用性的最優(yōu)控制系統(tǒng)和方法。文檔編號G05B19/418GK101887260SQ20101021398公開日2010年11月17日申請日期2010年6月30日優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日發(fā)明者劉興高,陳瓏申請人:浙江大學(xué)