[发明专利]非高斯系统的动态经济性能优化与控制一体化设计方法

说明书

非高斯系统的动态经济性能优化与控制一体化设计方法，属于随机系统优化控制领域，包括：步骤一、非高斯扰动下的非线性随机系统模型；步骤二、建立两层动态优化控制框架结构；步骤三、基于统计信息的性能指标选取；步骤四、动态经济性能优化与模型预测控制器设计。本发明与传统的两层RTO‑MPC在上层采用稳态模型相比，本发明充分考虑了过程的动态特性，强调所得最优设定轨迹的可达性，更具有实际工程意义。

技术领域

本发明具体涉及了一种在非高斯随机噪声影响下系统的经济性能优化与控制一体化设计方法，属于随机系统优化控制领域。

背景技术

在实际系统中，随机干扰广泛存在，尤其在工业过程当中，例如化工过程中反应堆的温度浓度的随机因素。因此，随机系统的优化控制一直是系统控制领域研究的热点问题。基于系统变量高斯性的假设，通过优化和控制均值、方差取得了大量的研究成果，并已广泛应用到工程实际中。然而，实际工业过程变量往往是非高斯的，这使得对于非高斯分布控制系统的研究显得更为有必要。受造纸过程中经典案例的启发，王宏教授首次提出了随机分布控制理论，为非高斯随机系统的控制问题研究开辟了一个全新的思路。

先进控制方法的实施需要增加企业投资成本，能否在项目实施前给出准确的投运成本和经济收益分析，是企业关心的一个重要问题。在先进控制的运行中，随着过程操作条件和设备等变化，先进控制系统的性能会随时间的推移而退化，无法达到预期的经济效益。因此，保持先进控制系统投运以后的高效、优质运行，及时对先进控制系统进行性能评估和维护是非常有必要的。先进控制策略对于经济性的提高，是通过减小过程随机不确定性，优化操作点来实现的。其对于企业经济效益的提高主要表现在：例如化工过程反应物转化为产品的过程中增加产品产量、增加高附加值产品生产配额、降低能耗、减少再加工消耗。因此，为了保证企业的经济效益，应该使所设计的先进控制系统始终在最优操作点运行。在这样的基础之下，研究非高斯系统的动态经济性能优化与模型预测控制一体化设计方法就显得很有理论意义和实际应用价值。

目前，针对非高斯随机系统控制和经济性能优化研究已经取得了比较多的成果。但就当下比较热门的研究成果来说，仍然存在着以下的一些问题：

(1)在非高斯随机控制方面，在已有的科研成果中，设定值通常取做常值或预先设定的参考轨迹。但事实上，设定值/参考轨迹需要根据实际经济性能指标进行设定，是随时改变的一条运动轨迹，因而这一处理方案有待进一步考虑的；

(2)同样的，还是在非高斯随机控制方面，已有文献主要是构建基于统计信息的瞬时性能指标，得到单步控制律，不能预测未来的控制作动趋势，具有一定的保守性；

(3)在传统的实时优化和模型预测控制两层经济性过程优化中，实时优化没有考虑过程的动态特性，因此不能保证所得到设定值的可达性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对典型的化工反应过程在遭受非高斯干扰(反应堆温度及反应物浓度)影响的情况下，设计一个两层结构的动态经济性能优化与模型预测控制策略。上层充分考虑系统的动态特性，根据经济效益指标设定优化目标函数(反应过程中的损耗函数)，确定最优操作点即最优的温度和浓度值，作为下层模型预测控制动态优化的设定值或参考轨迹。下层模型预测控制采用基于统计信息的非高斯随机控制策略跟踪上层优化得到的设定值(反应堆浓度和温度)或温度和浓度的变化轨迹。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下步骤实现：

步骤一、非高斯扰动下的非线性随机系统模型描述。

非高斯非线性随机系统可描述为如下的状态空间形式：

x_k+1＝f(x_k,u_k,ω_k)