多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法。首先根據(jù)采集的輸入輸出數(shù)據(jù)樣本集，采用遞推增廣最小二乘算法辨識間歇反應(yīng)過程基于加權(quán)時(shí)變函數(shù)的多組合線性模型，并通過迭代學(xué)習(xí)控制理論構(gòu)建二維(批次域+時(shí)間域)等效模型；然后基于二維等效模型構(gòu)造新型的二次型成本性能指標(biāo)，合理選擇權(quán)重系數(shù)；最后通過性能指標(biāo)最小化求解控制信號的最優(yōu)更新策略，給出二維廣義預(yù)測迭代學(xué)習(xí)方法具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模式。本發(fā)明針對現(xiàn)有間歇生物反應(yīng)裝置傳統(tǒng)控制的不足之處，將批次域和時(shí)間域結(jié)合成為二維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過多批次間迭代學(xué)習(xí)策略與當(dāng)前批次多模型廣義預(yù)測控制相融合，對間歇生物反應(yīng)裝置的批次反應(yīng)過程進(jìn)行優(yōu)化控制，確保多批次高品質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。
【專利說明】多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)優(yōu)化領(lǐng)域，尤其是對批次間歇生物反應(yīng)裝置產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 間歇生物反應(yīng)器適用于批量小、產(chǎn)值高、多品種物料的反應(yīng)體系，有很好的經(jīng)濟(jì)性 和操作靈活性，在制藥、精細(xì)化工、香料、食品等行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。間歇生物反應(yīng)器受多 工序、多變量、時(shí)變性、工序運(yùn)行時(shí)間不確定等諸多因素影響，決定了多批次間歇生物反應(yīng) 器控制要比連續(xù)生物反應(yīng)器控制復(fù)雜，需要新的非傳統(tǒng)的控制技術(shù)保證不同批次之間產(chǎn)品 品質(zhì)的一致性。
[0003] 在生物反應(yīng)器控制的過程中，精確的溫度快速跟蹤控制是保障生物產(chǎn)品生產(chǎn)可靠 性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。多批次間歇生物反應(yīng)過程一方面在不同批次之間具有操作的可重復(fù) 性，另一方面在每個(gè)不同批次內(nèi)部因原料性質(zhì)和外界擾動(dòng)的影響存在著個(gè)體差異，在不同 工序時(shí)段操作模式也不同。因此急需發(fā)明一種新型控制方法，將批次域可重復(fù)性與當(dāng)前批 次時(shí)間域質(zhì)量閉環(huán)控制相結(jié)合，保證不同批次之間高品質(zhì)產(chǎn)品的一致性。
[0004] 本發(fā)明針對多批次間歇生物反應(yīng)裝置，構(gòu)建二維等效過程模型，提出二維多模型 預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法，即將前批次動(dòng)態(tài)信息和當(dāng)前批次動(dòng)態(tài)信息引入二維（批次域+時(shí) 間域）成本函數(shù)優(yōu)化性能指標(biāo)中，通過優(yōu)化計(jì)算更新當(dāng)前批次當(dāng)前時(shí)刻輸入信號，進(jìn)行產(chǎn) 品質(zhì)量溫度閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)在多重?cái)_動(dòng)下多批次產(chǎn)品高品質(zhì)的一致性 控制目標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有間歇生物反應(yīng)器傳統(tǒng)的溫度PID閉環(huán)控制不足之處，構(gòu)建一個(gè)二 維（時(shí)間域+批次域）多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)（如圖1所示），改善間歇生物反應(yīng)器 的控制效果。本發(fā)明公開的控制系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：一是使用當(dāng)前批次實(shí)時(shí)系統(tǒng)信息的時(shí) 間域廣義預(yù)測控制，確保隨著時(shí)間軸移動(dòng)的預(yù)測域的最優(yōu)控制性能；二是使用前批次信息 的批次域迭代學(xué)習(xí)控制，提高批到批的質(zhì)量閉環(huán)控制性能的快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是將實(shí)際多工序間歇反應(yīng)過程中的數(shù)據(jù)采集樣本，采用遞推增 廣最小二乘法辨識間歇過程加權(quán)時(shí)變多組合線性模型，將該模型與迭代學(xué)習(xí)控制算法結(jié)合 構(gòu)建二維等效模型，利用上一批次信息，對下一批次進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)控制。同時(shí)，通過廣義預(yù) 測控制方法對當(dāng)前批次進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，并將前一批次迭代學(xué)習(xí)控制算法引入性能優(yōu)化 目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行批次間的補(bǔ)償動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有效快速克服批次間重復(fù)性擾動(dòng)和批次內(nèi)的未知 擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高品質(zhì)運(yùn)行。
[0007] 本發(fā)明方法的具體步驟是：
[0008] 步驟（1)通過實(shí)際反應(yīng)過程采集數(shù)據(jù)，利用輸入控制信息和輸出信息，使用時(shí)變 加權(quán)因子構(gòu)建多組合線性模型。間歇生物反應(yīng)過程通常比連續(xù)過程有更復(fù)雜的操作規(guī)則和 多級特性，其操作模式通常隨著時(shí)間變化，比如，整個(gè)運(yùn)行過程中，輸入量變化多次，很多操 作在特定的時(shí)間和特定的時(shí)間間隔進(jìn)行。同時(shí)，整個(gè)運(yùn)行過程分為幾個(gè)階段，一般間歇反應(yīng) 中存在預(yù)熱階段，加料階段，反應(yīng)階段和出料階段，采用遞推增廣最小二乘法辨識算法辨識 間歇反應(yīng)過程多階段操作過程子模型，并通過時(shí)變加權(quán)因子建立多組合線性模型：
[0009] Σ p ：A(q_1)yk(t) = [μ B1 (q_1) + μ 2 (t, t2)B2(q_1), ...，+Um (t, tm) Bm (q-1)] Δ t(uk(t)) +wk(t)
[0010] t = 0,1，...，T ;k = 1，2，...
[0011] 其中，t和k分別代表離散時(shí)間和批次指標(biāo)，T是每個(gè)批次的持續(xù)時(shí)間，uk (t)，yk(t) 和wk(t)分別是第k批次時(shí)間t的輸入，輸出和擾動(dòng)。表示后移算于，A(q^)和B(q，） 都是算子多項(xiàng)式：A(q -1) = l+aiqH+asqi+H.+anaq' Bjq-1) = Ι+Ι^,Α1+、；^2+...+、^^* i = l，2，是時(shí)間后移差分算子，At(f(t，k))=f(t, ?ΟΚ?-Ι,?Ο^/Α 是批次 ARX模型的系數(shù)，可以通過時(shí)間域的輸入輸出數(shù)據(jù)估計(jì)；wk(t)是未知擾動(dòng)；μ i是時(shí)變權(quán)重 系數(shù)，函數(shù)形式可以是階躍，梯形，指數(shù)，高斯曲線等山表示模型的切換時(shí)間系數(shù)。該模型 通過增廣遞推最小二乘算法進(jìn)行辨識。
[0012] 步驟（2)對于不同批次間的重復(fù)性特點(diǎn)，引入迭代學(xué)習(xí)控制算法：
[0013] Σ ILC ：uk(t) = Uk^1 (t)+uk(t-l)-uk_1 (t-l)+rk(t)
[0014] u〇(t) = 0, t = 0,1, ···, T
[0015] 其中，rk(t)是更新律，Utl(t)是迭代初始值。與傳統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制不同，此迭代學(xué) 習(xí)算法定義的第k個(gè)批次在t時(shí)刻的輸入同時(shí)基于上一批次t時(shí)刻的輸入IV 1 (t)和前t時(shí) 刻批次域上的輸入變化量，以改善本批次當(dāng)前時(shí)刻的控制性能。uk(t)和rk(t)之間的關(guān)系 可以用如下表達(dá)式形容：

【權(quán)利要求】
1. 一種多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于以下步 驟： 步驟1針對間歇生物反應(yīng)過程在預(yù)熱、加料、反應(yīng)和出料等工序呈現(xiàn)不同動(dòng)態(tài)特性和 操作要求，采集裝置多個(gè)批次下不同工序運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用遞推增廣最小二乘法辨識算法辨 識間歇反應(yīng)過程多階段操作過程子模型，并通過時(shí)變加權(quán)因子建立多組合線性模型： Σp：A(q_1)yk(t)= [μ i(t, + y2(t,t2)B2(q_1), ...，+Um(t,tm)Bm (q-1)] uk(t)+wk(t) t= 0,1, ···,T；k=I, 2,… 其中，t和k分別代表時(shí)間和批次域信息，T代表批次反應(yīng)持續(xù)時(shí)間；uk(t)，yk(t)和wk(t)分別是第k批次t時(shí)刻的輸入，輸出和未知擾動(dòng)變量；μi(t，tp表示不同工序之間的 時(shí)變權(quán)函數(shù)，可選擇階躍、多項(xiàng)式、高斯函數(shù)。 步驟2利用間歇生物反應(yīng)過程不同批次間的重復(fù)性，在時(shí)間域和批次域的迭代學(xué)習(xí)控 制策略表示如下形式：At(Uk(t)) =Λ^?Ηαη+ι^α)，其中，八1表示時(shí)間域上的后移差 分算子，rk(t)是更新律。 步驟3將批次間迭代學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到當(dāng)前批次的廣義預(yù)測預(yù)測模型中，即將辨識所得 模型代入迭代學(xué)習(xí)控制策略中，得到"時(shí)間域+批次域"二維等效過程模型：
步驟4根據(jù)上述二維等效模型，對于任意時(shí)刻t，將 反應(yīng)過程的輸入輸出關(guān)系分成已知和未知兩大部分，即：
其 中 r*(|< )，八-丨(|丨u )分別表不已知部分輸入、輸出；5(|<+?,) 丨Ii,)分別表不位置部分 輸入、輸出。 步驟5合理確定二次型成本性能指標(biāo)：輸出參考軌跡與預(yù)測輸出的誤差平方，更新值 的平方，時(shí)間方向控制量變化值的平方和批次方向控制量變化值的平方，分別決定了過程 控制輸入的大小，批次域收斂的魯棒性，批次域的方向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和對高頻擾動(dòng)的敏感性， 在各平方項(xiàng)前添加權(quán)重系數(shù)，以不同的權(quán)重系數(shù)大小來確定最適合反應(yīng)過程的控制性能。
其中，H1和H2分別表示時(shí)間軸上的預(yù)測域和控制域長度，yjt)表示目標(biāo)輸出，η(i)，a(i),β(i),Y(i)分別為每一部分的權(quán)重系數(shù),對此,作如下定義A1 =diag{η(1),…， rI(rIi)}?Q2 =diag{β(0), ...，β(n2-I))，Q3 =diag{γ(0)， ...，Y(n2-I)}，R= diag{α(〇)，…，α(n2-l)}。 步驟6對上述二次型成本性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過求取性能指標(biāo)最小值得到控制 更新策略,構(gòu)建二維多模塑預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法在線實(shí)施控制結(jié)構(gòu)如下：
K1是上批次預(yù)測輸出偏差調(diào)節(jié)系數(shù)，K2是上批次在時(shí)間域預(yù)測控制信號變化調(diào)節(jié)系 數(shù)，K3是當(dāng)前批次控制信號變化調(diào)節(jié)系數(shù)，K4是當(dāng)前批次控制信號更新調(diào)節(jié)系數(shù)；，K5是當(dāng) 前批次輸出預(yù)測信號變化調(diào)節(jié)系數(shù)，對于批次過程，這些信息都是可以獲取的，保證了該方 法的可行性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法， 其特征在于針對間歇生物反應(yīng)裝置的反應(yīng)釜溫度預(yù)熱、加料、反應(yīng)和出料等不同操作階段， 利用前面批次動(dòng)態(tài)信息和當(dāng)前批次動(dòng)態(tài)信息構(gòu)建二維等效過程模型，并引入二維（批次域 +時(shí)間域）二次型成本函數(shù)優(yōu)化性能指標(biāo)中，通過優(yōu)化計(jì)算更新當(dāng)前批次當(dāng)前時(shí)刻輸入信 號，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器溫度先進(jìn)控制，提高系統(tǒng)的魯棒性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多批次間歇反應(yīng)過程二維多模型預(yù)測迭代學(xué)習(xí)控制方法，其 特征在于所述的一類理想的多組分連串半間歇反應(yīng)過程，通過權(quán)利1要求的二維多模型預(yù) 測迭代學(xué)習(xí)控制方法，對當(dāng)前批次進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制后，經(jīng)過2-3個(gè)批次之后，間歇反應(yīng)過 程就能克服多種擾動(dòng)，快速跟蹤最佳操作軌跡，實(shí)現(xiàn)多批次產(chǎn)品在多擾動(dòng)下的高品質(zhì)產(chǎn)品 的一致性控制目標(biāo)。
【文檔編號】G05B13/04GK104460319SQ201410566073
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】薄翠梅, 黃慶慶, 陸兵, 易輝, 楊世品 申請人:南京工業(yè)大學(xué)