[發明專利]一種基于自適應控制網格的活塞流管式反應器最優控制系統

在審

• 申請號: 201711116206.0
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107918277A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 劉興高;李國棟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05B19/418
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及反應器控制領域，主要是一種基于自適應控制網格的活塞流管式反應器最優 控制系統。該系統能夠對活塞流管式反應器冷卻劑流速進行自動最優控制，以提高目標產品 的濃度。

背景技術

活塞流管式反應器是生物化工領域應用十分廣泛的一種反應器。在實際生產中，當物料 初始濃度、反應器容積、生產時間等因素確定后，影響產品產量的最關鍵因素就是溫度，而 溫度一般通過冷卻劑流速來控制。由于不同產品的生產工藝要求不同，所以按生產工藝要求 對活塞流管式反應器自動地進行冷卻劑流速最優控制具有重要意義。當前國內活塞流管式反 應器的控制方法中很少采用最優控制理論及對應方法，控制器中的參數往往憑已有經驗設定。 采用最優控制方法后，活塞流管式反應器中目標產品的濃度進一步提高了，實現了挖潛增效。

發明內容

為了提高活塞流管式反應器中目標產品的濃度，本發明提供了一種基于自適應控制網格 的活塞流管式反應器最優控制系統，該系統借助DCS作為最優控制方法的實現載體。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于自適應優化控制網格的活塞流管 式反應器最優控制系統，該系統由活塞流管式反應器本體、活塞流管式反應器端的液相流量 計及溫度傳感器、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、主控室冷卻劑流速及反應器溫度顯示、 流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門構成。所述系統的運行過程包括：

步驟A1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及冷卻劑流速控制要求；

步驟A2：DCS執行內部的自適應優化控制網格最優控制方法，計算出使目標產品濃度 最大化的冷卻劑流速控制策略；

步驟A3：DCS將得到的冷卻劑流速控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現 場總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相 應動作；

步驟A4：活塞流管式反應器端的液相流量計、溫度傳感器分別實時采集活塞流管式反應 器的冷卻劑流速、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、約束條件處理模塊、控制向量參數化模 塊、非線性規劃(Nonlinear Programming，NLP)問題求解模塊、終止條件判斷模塊、自適應 控制網格劃分模塊、時間尺度轉換模塊、控制指令輸出模塊。

活塞流管式反應器中目標產品的生產過程可以描述為：

其中t表示時間，t₀表示生產過程開始時間，t_f表示生產過程結束時間；被稱為狀態變量，表示活塞流管式反應器中物料濃度或相關參數，x₀是其初始 值，是其一階導數；u(t)表示活塞流管式反應器的冷卻劑流速，u_l、u_u分別為其下限值 和上限值；是根據物料守恒、能量守恒建立的微分方程組；是生產過程中對 物料濃度或相關參數、冷卻劑流速建立的約束條件。n_x,n_g分別是狀態變量和約束的數量。

假設以Φ[x(t_f)]表示目標產品的最終濃度，則使該產品濃度最大化的數學模型可表示為：

其中J[u(t)]表示控制目標，由冷卻劑流速u(t)決定。該問題本質上是一個最優控制問題。

本發明解決該問題所采用的技術方案是：在DCS中集成了自適應控制網格最優控制方 法，并以此為基礎構建了一套最優控制系統。所述控制系統的結構包括活塞流管式反應器本 體、活塞流管式反應器端的液相流量計及溫度傳感器、模數轉換器、現場總線網絡、DCS、 主控室冷卻劑流速及反應器溫度顯示、流量控制閥門端的數模轉換器、流量控制閥門。

所述系統的運行過程如下：

步驟C1：控制室工程師設定生產過程持續時間以及冷卻劑流速控制要求；

步驟C2：DCS執行內部的自適應控制網格最優控制方法，計算出使目標產品濃度最大化 的冷卻劑流速控制策略；

步驟C3：DCS將得到的冷卻劑流速控制策略轉換為流量控制閥門的開度指令，通過現場 總線網絡發送給流量控制閥門的數模轉換器，使流量控制閥門根據收到的控制指令做出相應 動作；

步驟C4：活塞流管式反應器端的液相流量計、溫度傳感器分別實時采集活塞流管式反應 器的冷卻劑流速、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。