[發明專利]一種基于精確懲罰優化的間歇反應釜控制系統

有效

• 申請號: 201310232153.4
• 申請日: 2013-06-08
• 公開（公告）號: CN103324086A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 劉興高;胡云卿;周赤平;張海波;孫優賢
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;B01J19/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

1.一種基于精確懲罰優化（Exact?Penalty?Optimization，簡稱EPO）方法的間歇反應釜控制系統，能夠對反應釜進行溫度自動控制，以提高目標產品的濃度。其特征在于：由間歇反應釜本體、間歇反應釜端的溫度傳感器、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室溫度及產品濃度狀態顯示、溫度控制閥門端的數模轉換器、溫度控制閥門構成。所述系統的運行過程包括：

步驟A1：控制室工程師指定生產過程的持續時間、反應釜中物料的初始濃度狀態、需要提高濃度的目標產品；

步驟A2：DCS執行內部的精確懲罰優化方法，計算出使目標產物濃度最大的溫度控制策略；

步驟A3：DCS將計算獲得的溫度控制策略轉換為溫度控制閥門的開度指令，通過現場總線網絡發送給溫度控制閥門端的數模轉換器，使溫度控制閥門根據收到的控制指令相應動作；

步驟A4：間歇反應釜端的溫度傳感器實時采集反應釜溫度，經過模數轉換器后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使控制室工程師隨時掌握生產過程。

所述的DCS，包括信息采集模塊、初始化模塊、DAE求解模塊、收斂性判斷模塊、ρ更新模塊、非線性規劃問題（Non-linear?Programming，簡稱NLP）求解模塊、控制指令輸出模塊。其中信息采集模塊包括生產過程持續時間采集、目標產品采集、溫度控制要求采集三個子模塊，NLP求解模塊包括尋優方向計算、尋優步長計算、NLP收斂性判斷三個子模塊。

所述DCS產生溫度控制閥門開度指令的精確懲罰優化方法，運行步驟如下：

步驟B1：信息采集模塊（1）獲取工程師指定的生產過程持續時間、需要最大化濃度的目標產品、以及溫度控制要求。執行從步驟B2開始的精確懲罰優化方法；

步驟B2：初始化模塊（2）開始運行，設置生產過程時間的分段數、溫度控制策略的初始猜測值T^(k)(t)，設定計算精度tol，將迭代次數k置零；

步驟B3：通過DAE求解模塊（3）獲取本次迭代的目標函數值J[T^(k)(t)]和約束函數值。當k=0時跳過步驟B4直接執行步驟B5；

步驟B4：如果J[T^(k)(t)]與上一次迭代的目標函數值J[T^(k-1)(t)]的絕對值之差小于精度tol，則判斷收斂性滿足，并將本次迭代的溫度控制策略轉換為溫度控制閥門開度指令輸出；如果收斂性不滿足，則繼續執行步驟B5；

步驟B5：增大懲罰因子ρ，再用T^(k)(t)的值覆蓋T^(k-1)(t)的值，并將迭代次數k增加1；

步驟B6：NLP求解模塊（6）利用在步驟B3中獲得的目標函數值和約束函數值，通過計算尋優方向和尋優步長，獲得比T^(k-1)(t)更優的新溫度控制策略T^(k)(t)。該步驟執行完成后再次跳轉至步驟B3，直至收斂性判斷模塊（4）滿足為止。

所述的ODE求解模塊，采用的方法為四步Adams方法，計算公式為：

x(ti+1)=x(ti)+h24{55F[T(ti)x(ti),ti]-59F[T(ti-1)x(ti-1),ti-1]]]>

+37F[T(ti-2)x(ti-2),ti-2]-9F[T(ti-3)x(ti-3),ti-3]}]]>

其中t表示時間，t_i表示Adams方法選擇的控制過程中某一時間點，t_i-1表示Adams方法選擇的控制過程中t_i的前一時間點，t_i+1表示Adams方法選擇的控制過程中t_i的后一時間點，以此類推。積分步長h為任意兩相鄰時間點之差。x(t_i)是表示反應釜中在t_i時刻的產品濃度，T(t_i)表示反應釜在t_i時刻的加熱溫度。

所述的NLP求解模塊，采用如下步驟實現：

步驟C1：將溫度控制策略T^(k-1)(t)作為向量空間中的某個點，記作P₁，P₁對應的目標函數值就是J[T^(k-1)(t)]；

步驟C2：從點P₁出發，根據選用的NLP算法構造向量空間中的一個尋優方向d^(k-1)和步長α^(k-1)

步驟C3:通過式T^(k)(t)=T^(k-1)(t)+α^(k-1)d(^k-1)構造向量空間中對應u^(k)的另外一個點P₂，使得P₂對應的目標函數值J[T^(k)(t)]比J[T^(k-1)(t)]更優。