含不确定参数的化工过程系统的操作调控与动态柔性分析

论文摘要

化工生产过程大多工艺复杂、设备管线阀门繁多,涉及非线性及动态特性,生产过程涉及的原料、辅助原料、中间产品、产品等大多易燃、易爆、有毒、有害;稍有不慎就有可能发生事故,破坏性很大,因此安全问题对于化工生产至关重要。目前,随着化工市场的全球化,导致产品需求及原料供应随市场的变化而变化,化工加工过程需要满足这些不确定参数变化的要求;此外,化工工业的许多设备、装置的一些物理性质也随着时间的推移而发生变化,将有可能引起化工系统运行不稳定,导致产品不合格,甚至引起安全事故的发生。因此化工系统需要具有一定的柔性,即系统能克服一定范围不确定参数的变化。如何通过不确定参数的研究,提高系统运行的柔性,进而利用动态系统的柔性区域的变化,判定系统运行的状态,提升其安全性能与操作质量是本文的研究重点。首先,针对间歇反应过程安全操作和产品质量控制的双重目标,本章提出基于临界点的分段搜索的操作优化调控策略,首先针对含有不确定参数的化工过程系统,采用合适的最优化算法求出相应的最优调控点。然后将最优调控点的与边界操作点作为搜索区间,根据不确定参数可能产生的最坏波动情形依次采用黄金分割搜索法则得出满足生产安全和质量控制的操作优化区间。所提出的分段搜索策略降低了引入不确定参数后动态柔性的求解难度,对含不确定参数的化工过程的操作优化调控和柔性分析提供了一种简洁有效的策略以及理论依据,从而进一步保证化工生产过程的安全与质量。然后,针对化工过程系统中滞后环节直接影响到化工过程控制系统的性能这一问题展开研究。化工过程系统常存在滞后环节,系统的动态操作性能会有很大不同。因此,为了保证过程系统实际操作可靠、安全运行,动态系统的柔性分析应考虑滞后的影响作用。本章采用非线性微分差分方程(DDE)来描述和求解具有滞后特性的过程系统动态柔性分析问题。本章的创新点在于,提出了一种改进的有限元正交配置优化算法。将控制变量的线性二次型优化算法嵌入有限元配置法,控制变量的最优值由线性二次型调节(LQR)优化算法进行求解,状态变量由拉格朗日多项式进行优化。该算法集成考虑了实际过程滞后因素和控制变量的优化对动态系统的影响,所提出的改进算法可以有效解决含滞后及不确定参数的化工过程系统的动态柔性分析问题。最后通过对两个含有明显滞后环节的非线性化工过程系统柔性分析问题进行研究,验证了所提出方法的有效性。最后,提出了过程系统对滞后的敏感度问题,对动态过程系统运行安全的柔性和可控性进行集成分析研究。首先通过一个三阶系统和一个二阶系统分析滞后因素对动态系统柔性的影响,以及分析具有不同过程属性的系统对滞后的敏感度问题,对过程系统进行控制器优化仿真和可控性分析。最后通过一个典型的化工反应器具体案例对含滞后因数的动态过程系统进行柔性以及可控性集成分析,并分析了系统对滞后因素的敏感度指数,提高了动态过程系统柔性分析的正确性,从而保证系统实际运行的安全和稳定性。本章提出的柔性和可控性集成分析策略可以为化工系统的操作性能优化和进一步柔性改进提供有效的分析和理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 化工过程的柔性设计与柔性分析
• 1.2.1 柔性分析问题的描述
• 1.2.2 柔性分析问题的求解
• 1.2.3 柔性分析方法在化工过程的应用
• 1.2.4 系统的稳态柔性
• 1.2.5 系统的动态柔性
• 1.3 研究的主要工作和章节安排
• 第二章 含不确定参数化工过程系统的操作优化调控
• 2.1 引言
• 2.2 含不确定参数动态系统优化调控方法
• 2.3 案例研究
• 2.3.1 案例研究2-1
• 2.3.2 案例研究2-2
• 2.4 本章小结
• 本章主要符号说明
• 附录 2-A:四阶龙格库塔积分法
• 附录 2-B 黄金分割法的基本原理与步骤
• 第三章 含时滞化工过程系统的动态柔性分析
• 3.1 引言
• 3.2 具有滞后过程的动态系统的柔性分析问题
• 3.3 有限元正交配置求解方法
• 3.3.1 实验1—无约束动态优化问题实验
• 3.3.2 实验2—有约束动态优化问题求解实验
• 3.3.3 实验3—控制变量有界的动态优化问题求解实验
• 3.3.4 实验4—不等式状态路径约束的动态优化问题求解实验
• 3.3.5 实验5—并行反应的动态优化问题求解实验
• 3.3.6 实验6—串联反应（DAE系统）的动态优化问题求解实验
• 3.3.7 实验7—多控制变量的动态优化问题
• 3.4 含滞后过程系统的动态柔性分析方法
• 3.4.1 延迟系统控制变量的求解技术
• 3.4.2 Riccati方程的显式解
• 3.4.2.1 实例1
• 3.4.2.2 实例2
• 3.4.3 含滞后过程系统动态柔性分析问题的求解方法
• 3.5 案例研究
• 案例3-1带循环的两级反应系统
• 案例3-2带循环的反应-分离系统
• 3.6 本章小结
• 本章主要符号说明
• 附录3-A NCD工具包简介
• 附录3-B动态模型转换成频域模型的拉普拉斯变换方法
• 附录3-C具有滞后的动态系统的柔性分析流程图
• 第四章 考虑滞后的动态系统运行安全的柔性与可控性集成分析
• 4.1 化工系统柔性描述
• 4.2 动态柔性分析过程系统对滞后的敏感度
• 4.3 非绝热反应釜系统案例研究
• 4.4 柔性区域修正
• 4.5 本章小结
• 本章主要符号说明
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附录