【摘要】：在實際工業(yè)過程中,一般采用分步序貫設(shè)計方法來實現(xiàn)化工過程的優(yōu)化設(shè)計,即將過程工藝設(shè)計與控制系統(tǒng)設(shè)計分別置于兩個獨立的階段依次實現(xiàn)。首先基于過程的穩(wěn)態(tài)模型,通過穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法確定最佳工藝參數(shù);然后以此作為被控對象,設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng),以確保過程滿足動態(tài)控制性能的要求。但是,分步序貫設(shè)計方法忽略了工藝設(shè)計與過程動態(tài)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,并不能確保所設(shè)計的過程達(dá)到經(jīng)濟性能和動態(tài)控制性能的整體最優(yōu)。研究表明,有必要在工藝設(shè)計的初始階段考慮過程的動態(tài)控制性能優(yōu)化,對過程工藝與控制系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計。近年來,化工過程工藝與控制系統(tǒng)的集成設(shè)計研究越來越受到國內(nèi)外工藝設(shè)計和過程控制領(lǐng)域研究人員的重視,與傳統(tǒng)的分步序貫設(shè)計相比,集成設(shè)計可獲得經(jīng)濟性能和動態(tài)性能更優(yōu)的化工過程。本文以連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)作為開展過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計方法研究的對象,主要工作如下:(1)通過查閱大量有關(guān)過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計方法研究的文獻(xiàn),從集成設(shè)計問題的求解方法,集成設(shè)計常用的控制策略,以及CSTR過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計等三個方面對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了全面總結(jié)和分析。(2)采用雙層優(yōu)化思想,構(gòu)造了一種基于雙層優(yōu)化策略的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計的結(jié)構(gòu)框架,外層優(yōu)化應(yīng)用動態(tài)優(yōu)化算法獲得過程工藝設(shè)計參數(shù),內(nèi)層優(yōu)化應(yīng)用最優(yōu)控制策略對外層工藝優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行動態(tài)性能的評估,獲得滿足過程動態(tài)控制性能要求的控制器參數(shù)。進(jìn)而,通過內(nèi)外兩層優(yōu)化問題之間的反復(fù)迭代優(yōu)化,得到最優(yōu)的過程工藝設(shè)計參數(shù)和控制器參數(shù)。分別將常規(guī)PI控制器和線性二次型調(diào)節(jié)器LQR嵌入該雙層優(yōu)化框架,以CSTR為過程對象,考察該集成設(shè)計方法的有效性。研究結(jié)果表明,與序貫設(shè)計方法相比,由集成設(shè)計方法得到的化工過程具有更好的經(jīng)濟性能和過程動態(tài)控制性能。(3)由于工業(yè)過程中廣泛采用先進(jìn)控制與常規(guī)控制分層遞階控制結(jié)構(gòu),在基于雙層優(yōu)化策略的集成設(shè)計方法研究基礎(chǔ)上,充分考慮外界干擾和系統(tǒng)不確定性,提出了一種基于分層遞階控制策略的過程工藝與控制系統(tǒng)集成設(shè)計方法。在控制決策優(yōu)化層,將設(shè)計對象和常規(guī)控制器構(gòu)成廣義對象,并將其作為LQR的被控對象,構(gòu)造了一種LQR-PI分層遞階控制結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)對過程動態(tài)控制性能的評估;而在設(shè)計決策優(yōu)化層,同時考慮外界干擾和系統(tǒng)不確定性,將設(shè)計決策優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多周期優(yōu)化問題。最終求解得到合理的工藝設(shè)計參數(shù)與控制器參數(shù),進(jìn)一步確保了所設(shè)計的過程在外界干擾和系統(tǒng)不確定性下的經(jīng)濟性能和可操作性。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ021.8

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