一種稀丙酮精餾工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及工業(yè)控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約 束的快速設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 丙酬是一種重要的基本有機(jī)原料之一，主要用于制造醋酸纖維素膠片薄膜、塑料W及涂料溶劑。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下，要求丙酬具有不同的純度，有時(shí)要求純度很高，甚至 是無(wú)水丙酬，但運(yùn)是很有困難的，因?yàn)楸陿O具揮發(fā)性，也極具溶解性，所W，想要得到高純 度的丙酬往往十分困難。
[0003] 要想把低純度的丙酬水溶液提升到高純度，一般使用連續(xù)精饋的方法?；S中 精饋操作是在直立圓形的精饋塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度的填料。
[0004] 通常稀丙酬精饋塔系統(tǒng)由塔體、塔蓋再沸器、塔頂冷卻器、塔頂回流罐等設(shè)備構(gòu) 成，稀丙酬從中部進(jìn)入塔體，中壓蒸汽通入塔蓋再沸器作為精饋塔的熱源，塔頂冷卻水進(jìn)入 塔頂冷卻器給精饋塔提供冷源，冷凝氣化至塔頂?shù)闹亟M分（水），塔內(nèi)物料經(jīng)多次的氣化 和冷凝后，高純度的丙酬氣從塔體頂部出來，進(jìn)入塔頂冷卻器與冷卻水換熱，未被冷凝的氣 體進(jìn)入放空管道系統(tǒng)，被冷凝至一定溫度的丙酬液體一部分被回流累打回至塔頂作為冷回 流，另一部分作為丙酬產(chǎn)品排出裝置，塔蓋液為帶有微量丙酬的水，塔蓋液作為污水直接用 累排出裝置。
[0005] 傳統(tǒng)稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的設(shè)計(jì)方法在求取輸出約束可達(dá) 集的上邊界和輸出約束可達(dá)集的下邊界時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間特別多，特別是對(duì)于高維系統(tǒng)，往往 需要幾天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，大大的影響了設(shè)計(jì)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方法，能 夠有效解決計(jì)算輸出約束可達(dá)集上邊界和輸出約束可達(dá)集下邊界耗時(shí)較長(zhǎng)的問題，且求取 速度幾乎不會(huì)受系統(tǒng)維數(shù)的影響。
[0007] -種稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方法，包括：
[000引步驟1，針對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的稀丙酬精饋工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，求出模型預(yù)測(cè)控制器 的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層的增益模型如下：
[0009] y=Gu+G^d
[0010]式中：y為nXl維的系統(tǒng)輸出，y G SOC; W11]G為nXm維的過程增益矩陣； 陽(yáng)01引U為mX1維的系統(tǒng)輸入變量，UGSIC; 陽(yáng)〇1引Gd為nXp維的干擾增益矩陣；
[0014]d為pX1維的系統(tǒng)干擾變量，dGDWC;
[0018] 步驟2,找到增益模型中，過程增益矩陣中的不確定元素；
[0019] 步驟3,依據(jù)不確定元素和系統(tǒng)干擾變量，求得輸出約束可達(dá)集的上邊界和輸出約 束可達(dá)集的下邊界；
[0020] 步驟4,依據(jù)輸出約束可達(dá)集的上邊界和輸出約束可達(dá)集的下邊界，得到動(dòng)態(tài)優(yōu)化 控制層輸出約束。
[0021] 在雙層結(jié)構(gòu)稀丙酬精饋工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層的輸出約束需 要由上層的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層給出，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制器輸出約束設(shè)計(jì)方法只能給出確定系統(tǒng)的輸 出約束，沒有考慮當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不確定性時(shí)的輸出約束的設(shè)計(jì)方法，而稀丙酬精饋工業(yè)控制 系統(tǒng)通常帶有不確定性且是非方（系統(tǒng)輸入變量數(shù)目小于輸出變量數(shù)目）的，利用本發(fā)明 提供的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的設(shè)計(jì)方法，能夠給在雙層結(jié)構(gòu)稀丙酬精饋模型預(yù)測(cè)控制 系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層中給出下一層的輸出約束，保證動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層模型預(yù)測(cè)控制器求解 的可行性，同時(shí)，求解速度耗時(shí)短，幾乎不受系統(tǒng)維數(shù)的影響。
[0022] 作為優(yōu)選，輸出約束可達(dá)集L0KD定義如下： 陽(yáng)02引 L0KD(G，d)= {y|y=Gu+Gdd;uGSIC，ghkGA，Gd為固定值}
[0024]
[00巧]式中，ghk為過程增益矩陣G中的不確定元素，將其表示為
的形式
[0026] 輸出約束可達(dá)集的上邊界L0邸SJ定義如下：
[0027]
陽(yáng)02引輸出約束可達(dá)集的下邊界L0KDXJ定義如下：
[0029]
[0030] 步驟3中，計(jì)算輸出約束可達(dá)集的上邊界的步驟如下： 陽(yáng)0川 步驟3-曰-1，求出

，分別記為kmgx和L,,mm，求出kmgx和L的交集IS，W及交集Is的中 點(diǎn)CI; 陽(yáng)0巧 步驟3-曰-2,求出

分別記為L(zhǎng),,m。^和Le為正實(shí)數(shù)，求出km。,和L 的交集 Isel，W及交集Isel的中點(diǎn)Clel;Ls,mm和Ls,maJ勺交集Ise2,W及交集Ise2的中點(diǎn)Cle2;
[003引步驟3-a-3,分別計(jì)算kmgx各頂點(diǎn)與Cl的距離，w及L,,m,x各頂點(diǎn)與Cl。1的距離， 若km。、某一頂點(diǎn)與CI。1的距離大于該頂點(diǎn)與CI的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束可達(dá)集的± 邊界L0KDSJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，W巧，康示km。,中所有屬于L0KDSJ頂點(diǎn)的集合；
[0034] 步驟3-曰-4,分別計(jì)算kmin各頂點(diǎn)與CI的距離，W及Ls,min各頂點(diǎn)與CIe2的距離， 若kmi。某一頂點(diǎn)與CI。2的距離大于該頂點(diǎn)與CI的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束可達(dá)集的± 邊界L0邸SJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，W隸示kmm中所有屬于L0邸SJ頂點(diǎn)的集合；
[0035] 步驟3-曰-5,輸出約束可達(dá)集的上邊界L0KDSJ的頂點(diǎn)集合為P|監(jiān)ax,L的頂 點(diǎn)，的邸5"勺頂點(diǎn)所構(gòu)成的多面體即為輸出約束可達(dá)集的上邊界。
[0036] 作為優(yōu)選，步驟3中，計(jì)算輸出約束可達(dá)集的上邊界的步驟如下：
[0037]步驟3-b_l，求出
和 (巧=
分別記為L(zhǎng)'s,max和L's,mm，求出L's,max和L's,mi。的交集I'S，化及交集 I'S的中點(diǎn)CI' ； 陽(yáng)03引步驟3-b-2,求出
和'Z^O/O)(巧郵:=
*分別記為L(zhǎng)'g，w。和L'g，，iM，e為正實(shí)數(shù)，求出和L'Awne的 交集I'sel，W及交集I'sel的中點(diǎn)Crel;L's,min和L's,maJ勺交集I'W2,W及交集I'se2的 中點(diǎn)CI'62;
[0039]步驟3-b-3,分別計(jì)算L\m,x各頂點(diǎn)與CI'的距離，W及L'各頂點(diǎn)與CI'。1的 距離，若L\,m。、某一頂點(diǎn)與CI'。1的距離大于該頂點(diǎn)與CI'的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束 可達(dá)集的下邊界L0KDXJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，化:巧5?^^表示1\"_中所有屬于L0KDXJ頂點(diǎn)的集 合； 柳4〇] 步驟3-b-4,分別計(jì)算L's,mm各頂點(diǎn)與口'的距離，W及L's,mm各頂點(diǎn)與口'e2的 距離，若L\mi。某一頂點(diǎn)與CI'。2的距離大于該頂點(diǎn)與CI'的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束可 達(dá)集的下邊界L0KDXJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，W心苗。m康示L'S.mi。中所有屬于L0KDXJ頂點(diǎn)的集合；[OOW步驟3-b-5,輸出約束可達(dá)集的下邊界L0邸XJ的頂點(diǎn)集合為{的寫醒，1-'S的頂 點(diǎn)，L說,?.ahL0KDXJ的頂點(diǎn)所構(gòu)成的多面體即為輸出約束可達(dá)集的下邊界。
[0042] 作為優(yōu)選，動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束L0JX定義如下： ；0043] L0JX(a ) = {y|bi《;y-y?！禸2}
[0046] 式中：罕2…Wn為權(quán)重；y。是過程的標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)值，y為系統(tǒng)輸出；
[0047] 步驟4中，計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的步驟如下： W48] 步驟4-1，利用迭代算法求得aU和a1，使L0JX(aJ與L0KDSJ相切，切點(diǎn)為V+1;L0JX(a1)與L0KDXJ相切，切點(diǎn)為V1;
[00例步驟4-2,記v+i=[y，V1=[y1y2…y。]，則動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束 L0JX為：
[00加]L0JX = {yImin (V", V1)《;y-y〇《max (V4, V1)}。
[0051] 本發(fā)明提供的稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方法，能夠有 效解決計(jì)算輸出約束可達(dá)集上邊界和輸出約束可達(dá)集下邊界耗時(shí)較長(zhǎng)的問題，且求取速度 幾乎不會(huì)受系統(tǒng)維數(shù)的影響。
【附圖說明】
[0052] 圖1為二維系統(tǒng)中求解I郝Iwi的示意圖；
[0053] 圖2為二維系統(tǒng)中求解輸出約束可達(dá)集上邊界所含頂點(diǎn)的示意圖；
[0054] 圖3為二維系統(tǒng)中求解CI和CIe2的示意圖；
[0055] 圖4為二維系統(tǒng)中求解輸出約束可達(dá)集上邊界的示意圖；
[0056] 圖5為S維系統(tǒng)中求解輸出約束可達(dá)集上邊界的示意圖；
[0057]圖6為仿真實(shí)施例中丙締精饋系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方 法做詳細(xì)描述。
[0059] 一種稀丙酬精饋工業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制層輸出約束的快速設(shè)計(jì)方法，包括： W60] 步驟1，針對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的稀丙酬精饋工業(yè)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，求出模型預(yù)測(cè)控制器 的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層的增益模型如下：
[0061] y = Gu+Gjd 陽(yáng)06引式中：y為nXl維的系統(tǒng)輸出，y G S0C ;
[0063] G為nXm維的過程增益矩陣； W64]U為mX1維的系統(tǒng)輸入變量，UGSIC; W65]Gd為nXp維的干擾增益矩陣；
[0066] d為PX 1維的系統(tǒng)干擾變量，d G DWC ;
[0070] 步驟2,找到增益模型中，過程增益矩陣中的不確定元素，不確定元素記為ghk，本 發(fā)明提供的方法適用于過程增益矩陣中僅存在一個(gè)不確定元素的情況。
[0071] 步驟3,依據(jù)不確定元素和系統(tǒng)干擾變量，求得輸出約束可達(dá)集的上邊界和輸出約 束可達(dá)集的下邊界。 陽(yáng)072] 輸出約束可達(dá)集L0KD定義如下：
[0073] L0邸佑d)={yIy=Gu+Gdd ;uGSIC，ghkGA，Gd為固定值}
[0074]
陽(yáng)0巧]式中，ghk為過程增益矩陣G中的不確定元素，將其表示為
的形式，
[0076] 輸出約束可達(dá)集的上邊界L0邸SJ定義如下：
[0077]
陽(yáng)07引輸出約束可達(dá)集的下邊界L0KDXJ定義如下：
[0079]
[0080]步驟3中，計(jì)算輸出約束可達(dá)集的上邊界的步驟如下： 1^0081]步驟3-曰-1，求出

，分別記為km。、和求出km。、和L,mi。的交集IS，W及交集Is的中 點(diǎn)CI。
[0082]步驟3-a_2,求出

分別記為km。、。和Lmi。。，e為正實(shí)數(shù)（在能夠接受的精度范圍內(nèi)， e為一個(gè)趨近于0的正實(shí)數(shù)，通常e取10 4)。，求出kmax和L,,mme的交集Isel，W及交集Isel的中點(diǎn)CIel;Ls,min和Ls,maJ勺交集Ise2,W及交集Ise2的中點(diǎn)CIe2;
[008引步驟3-a-3,分別計(jì)算kmgx各頂點(diǎn)與CI的距離，W及L 各頂點(diǎn)與CI。1的距離， 若km。、某一頂點(diǎn)與CI。1的距離大于該頂點(diǎn)與CI的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束可達(dá)集的± 邊界L0KDSJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，W巧,震,,^表示km。,中所有屬于L0KDSJ頂點(diǎn)的集合；
[0084]步驟3-曰-4,分別計(jì)算kmin各頂點(diǎn)與CI的距離，W及Ls,min各頂點(diǎn)與CIe2的距離， 若kmi。某一頂點(diǎn)與CI。2的距離大于該頂點(diǎn)與CI的距離，則該頂點(diǎn)為輸出約束可達(dá)集的± 邊界L0KDSJ中的一個(gè)頂點(diǎn)，^^4^，宗表示L,,mm中所有屬于L0KDS