一种面向化工的优先级升序可行性判定与软约束调整方法与流程

1.本发明属于过程工业控制领域，具体是一种面向化工过程装置的优先级升序可行性判定与软约束调整的控制方法。


背景技术：

2.硬约束指实际运行过程中，操作变量和被控变量不可违反的约束条件；软约束指实际过程中操作变量和被控变量可违反但不期望违反的约束条件；优先级指代不同被控变量约束条件的重要性，国际惯例优先级级别越低，约束条件重要性越高；升序指依照优先级级别从低到高的顺序完成相关工作，即最小化放松最重要的软约束条件。
3.在实际化工控制过程中，可行性判定与软约束调整主要用于确定稳态优化可行域。在确保硬约束可行的前提下，参照一定规则逐级或同时放松相关软约束条件，获得合理的稳态优化可行性，而后在可行域范围内实施经济自优化与目标跟踪用以获得最优稳态目标。由于现有多输入多输出化工过程装置的复杂性，在优化与控制多入多出系统过程中，工艺人员设置的稳态软约束条件并不完全合理，使得约束限制下不存在满足操作变量和被控变量稳态优化的可行域，导致最终无法实现系统优化与控制。因此，需要根据给定规则适当调整软约束以确保优化与控制可行性。但由于现有优先级升序判定调整策略的不完备性，针对某些特殊情况并不能得到满足要求的可行域，导致无法开展操作变量与被控变量稳态经济优化与动态控制。


技术实现要素：

4.针对现有化工过程装置多输入多输出协调优化控制需求以及优先级升序策略的不完备性，本发明提出一种面向化工过程预先考虑所有硬约束的优先级升序可行性判定与软约束调整的控制实现方法。基于本发明提出的一种面向化工过程预先考虑所有硬约束的优先级升序可行性判定与软约束调整策略，用以完善并解决稳态优化可行域的可行性判定与调整问题，进而实现多入多出化工装置操作变量与被控变量间的协调优化与控制。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
6.一种面向化工的优先级升序可行性判定与软约束调整方法，对化工过程装置的被控变量和操作变量进行约束判定与调整，得到被控变量和操作变量所构成的可行域，根据可行域对操作变量和被控变量实现对化工过程的控制，包括以下步骤：
7.可行性判定与软约束调整初始化：根据化工过程装置的控制要求，设定用于表示化工过程装置执行机构控制量的操作变量和用于反馈化工过程装置状态信息的被控变量的稳态上下限约束条件，以及被控变量约束条件优先级级别；
8.硬约束可行性判定：根据操作变量和被控变量稳态上下限约束条件以及被控变量约束条件优先级级别判定在稳态上下限约束条件中的硬约束条件下被控变量是否可以继续优化，如果是，则进行下一步，否则，重新进行可行性判定与软约束调整初始化；
9.逐级软约束调整并固化：按照优先级升序逐级进行可行性判定与软约束调整，在
每一优先级调整结束后固化放松的软约束为硬约束，得到当前优先级最优松弛变量；
10.确定稳态优化可行域：完成所有优先级可行性判定与软约束调整后，根据所有的优先级最优松弛变量，得到系统稳态优化可行域，进而根据可行域对化工过程装置被控变量和操作变量进行控制。
11.所述操作变量包括：用于控制进料温度的执行机构控制量、用于控制料回流流量的执行机构控制量；被控变量包括：化工过程装置监测到的反馈信息，包括炉膛压力、搅拌槽液位、反应产物浓度。
12.所述可行性判定与软约束调整初始化包括：
13.1)设定所有操作变量和被控变量稳态上下限软约束与硬约束，即u
ss
，δu
ss
，y
ss,s
，y
ss,h
；
14.其中u代表操作变量，δu代表操作变量增量，y代表被控变量；下角标ss代表稳态，s代表软约束，h代表硬约束；上标代表上限，下标
·
代表下限；
15.2)设定所有被控变量硬约束和软约束优先级，即其中上角标r表示优先级级别，r＝1,2,
…
,n，n为优先级最大级别。
16.所述硬约束可行性判定具体为：
[0017][0018]
其中，u(k-1)代表k-1时刻的操作变量值；y
ss
(k-1)代表k-1时刻的被控变量稳态值；δu
ss
(k)、δy
ss
(k)和δd
ss
(k)分别代表操作变量、被控变量和扰动变量稳态增量；g
u,ss
和g
d,ss
分别代表操作变量和稳态变量的稳态增益矩阵；u
ss
，y
ss,h
，和δu
ss
分别代表操作变量、被控变量、操作变量增量稳态约束上下限；下角标ss代表稳态，h代表硬约束；
[0019]
当上述硬约束条件限制下可行域即δy
ss
(k)＝g
u,ss
δu
ss
(k) g
d,ss
δd
ss
(k)和三组变量上下界约束所构成的区域不为空集时，则在稳态上下限约束条件中的硬约束条件下被控变量是可以继续优化，否则，不能继续优化。
[0020]
逐级软约束调整包括：
[0021]
优先级级别r＝1的软约束调整，得到优先级级别r＝1的最优松弛变量上限和最优松弛变量下限
[0022]
优先级级别1＜r＜n的软约束调整，依次得到优先级级别r＝2,3,
…
,n-1的最优松弛变量上限和最优松弛变量下限
[0023]
优先级级别r＝n的软约束调整，得到优先级级别r＝n的最优松弛变量上限最优松弛变量下限
[0024]
所述r＝1的软约束调整具体为：
[0025][0026]
其中，j1为优化目标函数，和分别为当前优先级上下界松弛变量权重系数，j表示优先级级别，上角标1表示优先级为第1级。
[0027]
所述1＜r＜n的软约束调整具体为：
[0028][0029]
其中，i，j分别表示优先级级别，上角标r表示优先级为第r级。
[0030]
所述r＝n的软约束调整具体为：
[0031][0032]
其中，i表示优先级级别，上角标n表示优先级为第n级。
[0033]
逐级软约束固化包括：
[0034]
在每一级软约束调整过程中，已完成的软约束通过下式固化为硬约束，
[0035]
[0036]
其中，上角标i代表约束变量优先级级别，*代表最优值；最优固化约束和为硬约束，由软约束调整后得到的最优决策松弛变量和确定，即：
[0037][0038]
其中，下角标s表示软约束。
[0039]
所述确定稳态优化可行域具体为：
[0040][0041]
由上述公式中的模型约束δy
ss
(k)＝g
u,ss
δu
ss
(k) g
d,ss
δd
ss
(k)和三组变量上下界约束构成稳态优化可行域；进而根据可行域，实现化工过程装置被控变量与操作变量的控制。
[0042]
本发明具有以下有益效果及优点：
[0043]
1.基于硬约束可行性判定，验证可行性判定与软约束调整初始化是否合理，确保后续优先级升序软约束调整问题可行性；
[0044]
2.通过在任一优先级级别下预先考虑所有被控变量硬约束，解决了原优先级升序策略的不完备性，在满足最小化放松最重要约束条件的前提下找到合理的稳态优化可行域；进而使操作变量和控制变量都能在可行域范围内进行优化与控制，最终实现多输入多输出过程装置的最优经济控制。
[0045]
3.本发明所述优先级升序策略，确保了优化问题完备性，可通过递归或反证法证明，确保了可行性判定与软约束调整的实用性，保证了系统经济优化与动态控制的可行性。
附图说明
[0046]
图1为预先考虑硬约束的优先级升序可行性判定与软约束调整方法流程图；
[0047]
图2为硬约束可行域示意图；
[0048]
图3a为本发明与现有临界决策变量策略对比示意图一；
[0049]
图3b为本发明与现有临界决策变量策略对比示意图二；
[0050]
图3c为本发明与现有临界决策变量策略对比示意图三；
[0051]
图3d为本发明与现有临界决策变量策略对比示意图四；
[0052]
图4a为本发明与现有加权策略对比示意图一；
[0053]
图4b为本发明与现有加权策略对比示意图二；
[0054]
图4c为本发明与现有加权策略对比示意图三；
[0055]
图4d为本发明与现有加权策略对比示意图四。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0057]
优先级升序可行性判定与软约束调整是指按照优先级级别从低到高的顺序逐级
最小化放松被控变量软约束，最终获得稳态优化可行域的过程。针对原有优先级策略的不完备性，本发明提出一种面向化工过程预先考虑所有硬约束的可行性判定与软约束调整策略，在每一优先级下，同时引入所有优先级的硬约束以及当前优先级的软约束进行判定及调整，而后逐级完成直至所有优先级均实现可行性判定与软约束调整。该发明解决了现有优先级升序策略的不完备性，可有效提高相关过程控制工业软件的稳定性和可靠性，为相关化工过程装置的稳定控制与操作运行提供保障。
[0058]
本发明的主要贡献在于确保了优先级升序可行性判定与软约束调整策略完备性，在存在原始稳态优化可行域的前提下给出最优稳态优化可行域，确保系统优化与控制可行性。
[0059]
如图1所示，本发明所述预先考虑所有硬约束的化工过程优先级升序可行性判定与软约束调整策略，主要包括可行性判定与软约束调整初始化、硬约束可行性判定、逐级软约束调整并固化、和确定稳态优化可行域四个步骤。该方法用于在化工过程装置的控制器上执行，通过选取所需传感器的信息作为操控变量，通过得到的可行域对包括控制阀等在内的执行机构控制量即被控变量进行控制，进而实现化工过程装置的优化与控制。
[0060]
所述可行性判定与软约束调整初始化，主要用于确定系统稳态优化软约束、硬约束、相应的优先级级别等。该过程主要由工艺工程师和控制工程师根据化工过程工艺要求确定，界定系统最优稳态操作区间。主要包括：
[0061]
(1)确定给定化工过程所有操作变量和被控变量稳态软约束与硬约束上下限，分别使用u
ss
，δu
ss
，y
ss,s
，y
ss,h
。其中u代表操作变量，δu代表操作变量增量，y代表被控变量；下角标ss代表稳态，s代表软约束，h代表硬约束；上标代表上限，下标
·
代表下限。其中，所述操作变量包括：m个u
ss
或δu
ss
(诸如进料温度、回流流量等)；被控变量包括：n个y
ss
或δy
ss
(诸如炉膛压力、搅拌槽液位、反应产物浓度等)。
[0062]
(2)确定所有被控变量硬约束和软约束优先级，以上角标表示，包括(2)确定所有被控变量硬约束和软约束优先级，以上角标表示，包括其中上角标r表示优先级级别，r＝1,2,
…
,n；参照国际惯例，级别数越高，优先级越低，即r＝1代表最重要的被控变量约束。
[0063]
所述硬约束可行性判定，主要用于确保存在原始稳态优化可行域，保证后续软约束调整可行性，硬约束可行性判定，即以下述公式所述约束下应存在可行域：
[0064][0065]
其中u(k-1)代表k-1时刻的操作变量值；y
ss
(k-1)代表k-1时刻的被控变量稳态值；δu
ss
(k)、δy
ss
(k)和δd
ss
(k)分别代表操作变量、被控变量和扰动变量稳态增量；g
u,ss
和g
d,ss
分别代表操作变量和稳态变量的稳态增益矩阵；u
ss
，y
ss,h
，和δu
ss
分别代表操作变量、被控变量、操作变量增量稳态约束上下限；下角标ss代表稳态，h代表硬约束。
[0066]
若上述约束下不存在可行域，即硬约束可行性判定结果不可行，则需重新进行可行性判断与软约束调整初始化，工程师依据化工过程工艺情况调整操作变量和被控变量硬约束，确保硬约束可行性。该硬约束可行性是后续优先级升序软约束调整的基础。
[0067]
该过程如图2所示(假定系统包含2个操作变量和2个被控变量，图2中的变量下角标1和2表示变量标号)。其中黄色阴影区域代表如下硬约束条件下界定的原始稳态优化可行域：
[0068][0069]
该可行域存在，则说明优先级升序可行性判定与软约束调整策略可行；否则，则不可行，需要重新调整原始硬约束条件。
[0070]
所述逐级软约束调整并固化，即依照优先级级别从低到高的顺序逐级最小化放松软约束直至所有优先级级别均被完成。
[0071]
逐级软约束调整并固化，其主要原则包括：
[0072]
(1)遵循优先级级别从低到高的顺序逐级调整直至所有优先级软约束调整均被实现，即满足最小化放松最重要被控变量软约束；
[0073]
(2)在每一级软约束调整过程中，已完成的软约束调整均固化为硬约束，如下所示(假设当前级别为r)：
[0074][0075]
其中，上角标i代表约束变量优先级级别，*代表最优值；最优固化约束和由软约束调整问题获得的最优决策松弛变量和确定，即：
[0076][0077]
其中，下角标s表示软约束。
[0078]
(3)在每一级软约束调整过程中，引入所有操作变量硬约束、非当前优先级级别被控变量硬约束(低级别为固化硬约束，高级别为原始硬约束)、以及当前优先级级别被控变量软约束及松弛调整，分别如下所示(假设当前级别为r)：
[0079][0080]
其中，和代表优先级级别为r的松弛变量，n为最大优先级级别数。
[0081]
(1)r＝1的软约束调整，在引入优先级级别1的被控变量软约束和硬约束、操作变量硬约束的前提下，其他所有优先级级别(r＝2,3,
…
,n)的硬约束同样被引入到该优化问题中
[0082][0083]
基于上述优化问题，可得优先级级别r＝1的最优松弛变量和
[0084]
(2)1＜r＜n的软约束调整，在引入优先级级别r的被控变量软约束和硬约束、操作变量硬约束的前提下，其他所有优先级级别的硬约束同样被引入到该优化问题中(包含i＜r的固化硬约束和j＞r的原始硬约束)
[0085][0086]
基于上述优化问题，可依次获得优先级级别r＝2,3,
…
,n-1的最优松弛变量和
[0087]
(3)r＝n的软约束调整，在引入优先级级别n的被控变量软约束和硬约束、操作变量硬约束的前提下，其他所有优先级级别(i＝1,2,
…
,n-1)的固化硬约束同样被引入到该优化问题中
[0088]
[0089]
基于上述优化问题，可得优先级级别r＝n的最优松弛变量和
[0090]
所述确定稳态优化可行域，基于上述所得所有优先级最优松弛变量和r＝1,2,
…
,n，可得稳态优化可行域为
[0091][0092]
该稳态优化可行域将会用至下一阶段的经济自优化与目标跟踪，用于获得最优稳态目标进而实现系统最优经济控制。
[0093]
案例：考虑将本发明所述扩展优先级升序策略用于控制如下所示wood-berry精馏塔模型进行验证：wood-berry精馏塔包含2个输入操作变量(由回流阀操纵的回流流量r-u1和由进料阀操纵的蒸汽流量s-u2)和2个输出被控变量(精馏塔顶部馏出物组分x
d-y1和精馏塔底部馏出物组分x
b-y2)，分别使用u和y表示。该精馏塔模型如下所示
[0094][0095]
输入变量和输出变量稳态约束条件及优先级级别设置为
[0096][0097]
其中，y1被设置为级别1，y2被设置为级别2，表明在工艺与控制过程中y1更为重要。
[0098]
相应的动态控制约束条件设置为
[0099][0100]
所有松弛变量对应权重均设置为1。
[0101]
基于原有优先级升序可行性判定与软约束调整策略，该稳态优化问题无可行域；基于本发明所述预先考虑所有硬约束的优先级升序策略
[0102]
硬约束可行性判定问题如下所示
[0103][0104]
上述约束条件下存在稳态可行域，即硬约束可行性判定结果可行。
[0105]
r＝1的软约束调整优化问题如下所示
[0106][0107]
可得当前最优决策变量为
[0108][0109][0110]
r＝2的软约束调整优化问题如下所示
[0111][0112]
可得当前最优决策变量为
[0113][0114]
最终可得稳态优化可行域为
[0115][0116]
对比本发明所述优先级升序策略与传统临界决策变量策略，其优化与控制效果对
比如图3a～图3d所示。其中“y
ss,cri”，“u
ss,cri”，“y
ss,new”和“u
ss,new”分别代表传统临界决策变量策略(cri)和本发明所述优先级升序策略(new)的被控变量和操作变量稳态优化轨迹，“y
cri”，“u
cri”，“y
new”和“u
new”分别代表两种策略的被控变量和操作变量动态控制轨迹。从图中可知，本发明所述策略下被控变量不会超出硬约束边界，有效保证了系统安全稳定运行；同时操作变量和被控变量始终最优跟踪稳态设定轨迹，展现出优于临界决策变量策略的优化与控制效果。
[0117]
对比本发明所述优先级升序策略与传统加权策略，其优化与控制效果对比如图4a～图4d所示。其中“y
ss,wei”和“u
ss,wei”分别代表传统加权策略下的被控变量和操作变量稳态优化轨迹，“y
wei”和“u
wei”分别代表传统加权策略下的被控变量和操作变量动态控制轨迹。从图中可知，本发明所述策略给出与传统加权策略基本一致的稳态优化与动态控制效果；鉴于传统加权策略不能很好的体现不同被控变量约束条件的优先级，只能以权重表述不同约束重要与否，可知本发明所述策略具有更高的普适性与实用性。