化工过程中的非线性预测控制算法研究

论文摘要

化工过程大多为机理复杂、并联耦合严重且存在各种约束条件的强非线性过程,将预测控制对线性系统的良好控制效果推广到非线性系统是本文的主要目的。本文的创新点就是提出几种适合于化工过程的非线性预测控制算法,主要内容包括以下几个方面:简要介绍了模型预测控制的基本原理,从理论和应用方面概述了现有的非线性模型预测控制的算法、稳定性条件、鲁棒性理论及存在的问题。详细的介绍了基于局部线性化状态空间模型的预测控制算法。提出基于敏感度方程的非线性预测控制算法。该算法通过对系统敏感度方程的分析,能够快速、有效地得到NLP导数信息的线性近似,在此基础上采用Levenberg-Marquardt算法完成对优化问题的求解,有效地降低在线计算量。针对化工过程中具有复杂非线性的连续搅拌反应釜（CSTR）进行仿真。仿真结果表明该算法的可行性和有效性。提出一种基于速率线性化方法的非线性预测控制算法。该算法采用速率线性化方法得到与原系统非线性模型相对应的线性变参数模型,这类变参数模型在结构上是线性的,而模型参数将随工作条件的变化而变化,在系统的整个工作区间内都能很好的逼近原非线性模型。在此模型的基础上设计了预测控制器,并利用基于置信域的Levenberg-Marquardt算法求得在线预测控制率。最后对CSTR进行了仿真研究,仿真结果表明了该算法的可行性和有效性。结合工业实际装置,建立Spheripol-II双环管聚合反应装置的动态数学模型和熔融指数预报模型。考虑到双环管的串联结构形式,给出模型未知参数的调整规则,并利用现场操作数据估计模型参数。最后对所建动态模型进行了合理的简化,采用本文所提出的基于速率线性化的非线性预测控制策略对反应器开车过程进行仿真研究。结果表明所建动态模型能够较好的反映双环管反应器的动态性能,对实际生产过程和将来先进控制的实施具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究的发展和现状
• 1.2.1 非线性模型预测控制基本理论
• 1.2.2 非线性模型预测控制算法研究现状
• 1.2.3 预测控制稳定性研究
• 1.2.4 鲁棒预测控制
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 基于局部线性化状态空间模型的预测控制算法
• 2.1 基于线性状态空间模型的预测控制器的设计
• 2.2 仿真研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于敏感度方程的非线性预测控制算法
• 3.1 系统敏感度方程分析
• 3.2 基于敏感度方程的预测控制算法
• 3.3 仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于速率线性化的非线性预测控制算法
• 4.1 速率线性化及线性参数时变（LPV）模型
• 4.2 基于LPV 模型的非线性预测控制算法
• 4.3 仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 环管法聚丙烯装置动态建模及先进控制的实施
• 5.1 Spheripol-II 本体法聚丙烯工艺简介
• 5.2 聚合反应动力学
• 5.3 聚合反应动态建模
• 5.3.1 模型假设条件
• 5.3.2 聚合反应动态数学模型
• 5.3.3 模型参数调整规则
• 5.4 模型的仿真分析
• 5.4.1 模型工业验证
• 5.4.2 模型动态测试
• 5.5 先进控制技术在环管法聚丙烯装置中的应用
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 附录1 Levenberg-Marquardt 算法
• 附录2 采集的主要现场稳态操作数据
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢