[發明專利]一種雙層優化的工業過程最優控制系統及方法

無效

• 申請號: 201010213796.0
• 申請日: 2010-06-30
• 公開（公告）號: CN101901006A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 劉興高;陳瓏
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

1.一種雙層優化的工業過程最優控制系統，包括與工業過程對象連接的現場智能檢測儀表、DCS系統和上位機，所述工業過程對象、現場智能檢測儀表、DCS系統和上位機依次相連，其特征在于：所述的上位機包括：

信號采集模塊，用于設定采樣時間，采集由現場智能儀表上傳的工業過程對象的動態信息；

初始化模塊，用于初始參數的設置，決策變量z(t)的離散化和初始賦值，具體步驟如下：

(3.1)將時間域[0，t_f]平均分成N小段：[0，t₁]，[t₁，t₂]，…，[t_N-1，t_N]，其中，t_N＝t_f；每個時間段的長度為t_f/N，tf表示終止時刻；

(3.2)對n維決策變量z(t)在步驟(3.1)所述時間分段上進行離散化，即每個決策變量用N個分段常值表示，并取初始決策變量z⁰為任意常數；

(3.3)設內外層優化的收斂精度分別為ζ₁、ζ₂，當優化目標值迭代誤差小于收斂精度時，停止迭代，迭代次數分別為k、l；設內層優化的初始搜索步長為α0、γ0，迭代搜索的初始決策變量為z1⁰；

約束轉化模塊，用于轉化邊值固定最優控制問題中的控制變量邊界約束和狀態變量終值約束，采取以下步驟來完成：

(2.1)通過中間變量處理控制變量邊界約束，即對于具有式(1)所示邊界約束的

u_min≤u(t)≤u_max????????????????????????????????????(1)

m維控制變量u(t)，u_min、u_max均為常量，分別對應控制變量的下界和上界，下標min、max分別表示最小值和最大值，采取以下變換：

u(t)＝0.5(u_max-u_min)×{sin[z(t)]+1}+u_min???????????????????????(2)

將u(t)轉化為不受邊界約束的中間變量z(t)的三角函數表達式，并把z(t)作為最優控制問題的決策變量進行求解；

(2.2)將狀態變量終值約束轉化為新的目標函數，即對于具有終值約束式(3)：

x_j(t_f)＝x_jf??j＝1，2，...，c??????????????????????????????(3)

的狀態變量x_j(t)，其中，c表示受終值約束的狀態變量個數，x_jf為給定的常量，x_j(t_f)表示狀態變量x_j(t)在終端時刻t_f的取值，構造如下目標函數式(4)：

J1=Σj=1c[xj(tf)-xjf]2---(4)]]>

J₁為雙層優化模塊求解的內層目標函數；

雙層優化模塊，用于尋找不僅能使最優控制問題的目標函數J₂最優，

而且能夠滿足終值約束式(3)和狀態方程式(6)：

dx(t)dt=f[x(t),z(t),t],]]>x(0)＝x₀???????????????????????????????????????????(6)

的最優決策變量z^*(t)，其中，、ψ分別表示在終點條件下和在一段時間內目標函數的組成部分，x表示給定的n維狀態變量，x₀表示初始時刻(t＝0)的狀態變量值，f表示函數變量，采取內外兩層優化的結構進行求解：

(4.1)內層優化，即尋找使目標函數J₁最優的決策變量z1(t)，且z1(t)須滿足狀態方程式(6)和內層優化的協態方程式(7)：

dλ(t)dt=-λ(t)T·∂f[x(t),z(t),t]∂x,]]>λ(tf)=∂J1∂x(tf)---(7)]]>

其中，λ(t)表示m維協態變量，上標T表示變量轉置，式(6)與式(7)構成內層常微分方程系統；內層優化所得的最優決策變量z1(t)傳給外層作為外層優化的初始解；

(4.2)外層優化，即在內層優化基礎上搜尋使目標函數J₂最優的決策變量z2(t)，且z2(t)須滿足狀態方程式(6)和外層優化的協態方程式(8)：

dθ(t)dt=-∂ψ[x(t),z(t),t]∂x-θ(t)T·∂f[x(t),z(t),t]∂x,]]>

其中，θ(t)表示m維協態變量，、ψ分別表示在終點條件下和在一段時間內目標函數J₂的組成部分，式(6)與式(8)構成外層常微分方程系統；外層優化所得的最優決策變量z2(t)就是雙層優化的最優解z^*(t)，相應的J₂值就是雙層優化的最優目標值J^*；

然后，保存雙層優化得到的最優結果z^*(t)和J^*。