[发明专利]一种基于正交配置优化的间歇反应釜控制系统

摘要

本发明公开了一种基于正交配置优化的间歇反应釜控制系统，由间歇反应釜本体、间歇反应釜端的温度传感器、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室温度及产品浓度状态显示、温度控制阀门端的数模转换器、温度控制阀门构成。控制室工程师指定生产过程的持续时间、反应釜中物料的初始浓度状态、需要提高浓度的目标产品后，DCS执行内部的正交配置优化方法，计算出使目标产物浓度最大的温度控制策略，并转换为温度控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给温度控制阀门端的数模转换器，使温度控制阀门根据收到的控制指令相应动作；本发明可以最大化目标产品的浓度，实现挖潜增效。

主权项

一种基于正交配置优化（Orthogonal collocation，简称OC）方法的间歇反应釜控制系统，能够对反应釜进行温度自动控制，以提高目标产品的浓度。其特征在于：由间歇反应釜本体、间歇反应釜端的温度传感器、模数转换器、现场总线网络、DCS、主控室温度及产品浓度状态显示、温度控制阀门端的数模转换器、温度控制阀门构成。所述系统的运行过程包括：步骤A1：控制室工程师指定生产过程的持续时间、反应釜中物料的初始浓度状态、需要提高浓度的目标产品；步骤A2：DCS执行内部的正交配置优化方法，计算出使目标产物浓度最大的温度控制策略；步骤A3：DCS将计算获得的温度控制策略转换为温度控制阀门的开度指令，通过现场总线网络发送给温度控制阀门端的数模转换器，使温度控制阀门根据收到的控制指令相应动作；步骤A4：间歇反应釜端的温度传感器实时采集反应釜温度，经过模数转换器后用现场总线网络回送给DCS，并在主控室内显示，使控制室工程师随时掌握生产过程。所述的DCS，包括信息采集模块、初始化模块、常微分方程组（Ordinary differential equations，简称ODE）正交配置模块、非线性规划问题（Non‑linear Programming，简称NLP）求解模块、控制指令输出模块。其中信息采集模块包括生产过程持续时间采集、目标产品采集、温度控制要求采集三个子模块，NLP求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、NLP收敛性判断三个子模块。所述DCS产生温度控制阀门开度指令的正交配置优化方法，运行步骤如下：步骤B1：信息采集模块（1）获取工程师指定的生产过程持续时间、需要最 大化浓度的目标产品、以及温度控制要求。执行从步骤B2开始的正交配置优化方法；步骤B2：初始化模块（2）开始运行，设置生产过程时间的分段数、温度控制策略和状态轨迹的初始猜测值T(0)(t)和x(0)(t)，设定计算精度tol；步骤B3：通过ODE正交配置模块将常微分方程组在时间轴[t0,tf]上全部离散；步骤B4：通过NLP求解模块获得所需的温度控制策略和对应浓度状态，这个过程包括多次内部迭代，每次迭代都要计算寻优方向和寻优步长。对于某一次迭代得到的温度控制策略T(k)(t)，如果其对应目标函数值J[T(k)(t)]与前一次迭代的目标函数值J[T(k‑1)(t)]之差小于精度要求tol，则判断收敛性满足，并将温度控制策略T(k)(t)作为指令输出到温度控制阀门。所述的ODE正交配置模块，采用如下步骤实现：步骤C1：将温度控制策略T(t)、状态轨迹x(t)用M阶基函数的线性组合表示，即： T ( t ) ≈ Σ j = 1 M T i , j φ i , j ( M ) ( t ) i = 1,2 , . . . , N x ( t ) ≈ Σ j = 1 M x i , j φ i , j ( M ) ( t ) i = 1,2 , . . . , N 其中N是时间轴[t0,tf]的离散段数，φ(t)可以选择拉格朗日插值基函数、样条基函数、小波基函数等不同种类的基函数，线性组合系数Ti,j和xi,j分别是T(t)和x(t)在配置点ti,j上的值。步骤C2：由于所有基函数的导函数表达式已知，于是状态轨迹的微分方程组被离散化代数形式： x · ( t ) ≈ Σ j = 1 M x i , j φ · i , j ( M ) ( t ) i = 1,2 , . . . , N 步骤C3：用离散化后的微分方程组代替原来微分方程组，将得到待求的NLP。所述的NLP求解模块，采用如下步骤实现：步骤D1：将制动力T(k‑1)(t)作为向量空间中的某个点，记作P1，P1对应的目标函数值就是J[T(k‑1)(t)]；步骤D2：从点P1出发，根据选用的NLP算法构造向量空间中的一个寻优方向d(k‑1)和步长α(k‑1)步骤D3:通过式T(k)(t)=T(k‑1)(t)+α(k‑1)d(k‑1)构造向量空间中对应T(k)(t)的另外一个点P2，使得P2对应的目标函数值J[T(k)(t)]比J[T(k‑1)(t)]更优。