一種基于變量時(shí)段分解的間歇過程無模型在線滾動(dòng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工流程制造業(yè)領(lǐng)域，涉及針對間歇過程的操作軌線變量時(shí)段分解無模型在線滾動(dòng)優(yōu)化方法，適用于包括間歇反應(yīng)器、間歇精餾塔、間歇干燥、間歇發(fā)酵，間歇結(jié)晶以及其它采用間歇方式操作的過程和系統(tǒng)的最佳操作軌線在線優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]間歇過程在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員通常是從各種控制指標(biāo)出發(fā)，根據(jù)長時(shí)間積累的經(jīng)驗(yàn)摸索出一條針對某個(gè)具體間歇過程的操作曲線。如此依靠經(jīng)驗(yàn)尋找操作曲線的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且難以標(biāo)準(zhǔn)化和推廣。因此推行簡捷有效的間歇過程優(yōu)化方法，獲取更滿意的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為必要。間歇過程的優(yōu)化問題，通常以提高產(chǎn)品的質(zhì)量或產(chǎn)率為目標(biāo)，獲取最優(yōu)操作軌線。因此對獲取間歇過程的最優(yōu)操作曲線的方法研究是解決問題的關(guān)鍵。
[0003]獲取最佳操作曲線最普通的方法是基于模型的離線優(yōu)化方法，即基于過程模型離線求解優(yōu)化問題。但離線優(yōu)化只適用于理想模型，當(dāng)過程模型中不確定因素及干擾對系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生影響時(shí)，已求得的軌線將不再是最優(yōu)的。同時(shí)由于操作過程中進(jìn)料的變化、產(chǎn)品和原料的切換、生產(chǎn)過程的開/停車，都會要求過程的操作策略和操作條件必須進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。因此研究間歇過程的在線實(shí)時(shí)優(yōu)化方法和技術(shù)是流程工業(yè)中一個(gè)重要課題。
[0004]基于連續(xù)過程的實(shí)時(shí)優(yōu)化已有許多成功的工業(yè)應(yīng)用案例，而針對間歇過程的在線實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)，目前仍缺乏比較通用的適合工業(yè)應(yīng)用的有效方法。因此提出一個(gè)比較通用的，能解決實(shí)際工業(yè)問題的間歇過程在線實(shí)時(shí)優(yōu)化策略和實(shí)施框架，促進(jìn)間歇過程在線實(shí)時(shí)優(yōu)化的工業(yè)化進(jìn)程，為解決實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域的控制難題提供新的方法迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種針對間歇過程的變量時(shí)段分解無模型在線滾動(dòng)優(yōu)化方法。采集與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的變量運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在對過程做時(shí)間域上變量劃分的基礎(chǔ)上，整合各個(gè)子集上的優(yōu)化作用量并形成全局優(yōu)化策略。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施優(yōu)化策略的在線滾動(dòng)最小誤差修正。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種針對間歇過程的變量時(shí)段分解的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)在線滾動(dòng)優(yōu)化方法，完全基于生產(chǎn)過程的操作數(shù)據(jù)，不需要過程機(jī)理的先驗(yàn)知識和機(jī)理模型。
[0008]本發(fā)明步驟分為兩個(gè)部分。第一部分，離線數(shù)據(jù)收集和建立基礎(chǔ)優(yōu)化策略；第二部分，在線滾動(dòng)誤差校正實(shí)施方法。
[0009]離線數(shù)據(jù)收集和基礎(chǔ)優(yōu)化策略步驟如下:
[0010]步驟一:針對操作完整的間歇過程，按批次收集待優(yōu)化變量和最終質(zhì)量或產(chǎn)率指標(biāo)。數(shù)據(jù)的收集時(shí)間間隔可以是等時(shí)間間隔或不等時(shí)間間隔，在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，過程的待優(yōu)化變量沒有顯著變化，或不會對最終質(zhì)量或產(chǎn)率指標(biāo)有顯著影響。一般要求30-50個(gè)批次有效數(shù)據(jù)。
[0011]步驟二:對所采集的數(shù)據(jù)，按批次為變量進(jìn)行主元分析并在主元模式圖中剔除奇異點(diǎn)，使得所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在一個(gè)可信度之內(nèi)。
[0012]步驟三:將剔除奇異點(diǎn)后的剩余數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上進(jìn)行等間隔劃分或不等間隔劃分。
[0013]步驟四:將每一個(gè)間隔所包含的各批次數(shù)據(jù)表達(dá)為一個(gè)連續(xù)變量，這些變量被稱為分解后的時(shí)段變量。時(shí)段變量的值由待優(yōu)化變量在一個(gè)特定時(shí)間區(qū)間的各個(gè)批次數(shù)據(jù)所組成。
[0014]步驟五:將步驟四中所對應(yīng)的每個(gè)批次質(zhì)量或收率指標(biāo)，稱為指標(biāo)變量。指標(biāo)變量的值是由各個(gè)批次最終質(zhì)量或收率形成的連續(xù)變量。
[0015]步驟六:將步驟四和步驟五中形成的時(shí)段變量和指標(biāo)變量進(jìn)行合并，形成時(shí)段變量和指標(biāo)變量的聯(lián)合數(shù)據(jù)矩陣。
[0016]步驟七:對上述聯(lián)合矩陣做主元分析，形成主元載荷圖。
[0017]步驟八:對步驟七中的主元載荷圖按時(shí)段變量對指標(biāo)變量的作用方向和大小進(jìn)行分類。分為正作用，反作用及無(微)作用三類。
[0018]步驟九:按以下攝動(dòng)量公式計(jì)算各時(shí)段變量的優(yōu)化策略:
[0019]J(i) = M(i)+sign⑴ X3 σ ⑴
[0020]此處的J(i)，M⑴和σ⑴分別是第i個(gè)時(shí)段變量的優(yōu)化目標(biāo)值，均值和標(biāo)準(zhǔn)差；sign(i)是第i個(gè)時(shí)段變量和指標(biāo)變量所形成的夾角余弦符號。夾角小于90度時(shí)為+1，夾角大于90度時(shí)為-1，夾角為90度時(shí)為0。
[0021]步驟十:將步驟九中所得各時(shí)段的優(yōu)化目標(biāo)值，按時(shí)段順序i = 1，2，”.Ν組成一條針對整個(gè)批次過程的基礎(chǔ)優(yōu)化變量曲線。
[0022]步驟十一:一般地需要將上述優(yōu)化變量曲線進(jìn)行數(shù)字濾波，使得新的優(yōu)化曲線比較光滑，易于跟蹤控制。
[0023]為了克服動(dòng)態(tài)控制偏差和不可控的隨機(jī)干擾，經(jīng)過上述步驟得到的基礎(chǔ)優(yōu)化控制變量軌跡在投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在每一個(gè)時(shí)間段都對基礎(chǔ)優(yōu)化策略加以在線滾動(dòng)誤差修正。
[0024]在線滾動(dòng)誤差校正步驟如下:
[0025]步驟十二:在第1-Ι時(shí)間段，計(jì)算離線基礎(chǔ)優(yōu)化目標(biāo)值J(1-l)和實(shí)際測量值RV(1-l)的誤差:E(1-l) = J(1-l)-RV(1-l)0
[0026]步驟十三:在離線基礎(chǔ)優(yōu)化策略上，構(gòu)成下一時(shí)段新的優(yōu)化目標(biāo)值:
[0027]J0(i) = J(i)+E(1-1)0
[0028]將步驟十二以及步驟十三按時(shí)段順序i = 1，2，…N依次計(jì)算并施加到過程中，直至整個(gè)批次過程操作結(jié)束。
[0029]更一般地，在步驟十二中，可以使用過去若干時(shí)段的誤差形成誤差序列，對此誤差序列施加數(shù)字濾波，將濾波預(yù)測值施加到當(dāng)前時(shí)段的優(yōu)化策略中。
[0030]本發(fā)明通過采集與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的變量運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在對過程做時(shí)間域上變量劃分的基礎(chǔ)上，整合各個(gè)子集上的優(yōu)化作用量并形成全局優(yōu)化策略。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施優(yōu)化策略的在線滾動(dòng)最小誤差修正。本發(fā)明方法完全基于間歇過程的操作數(shù)據(jù)形成在線優(yōu)化策略，不需要過程本身機(jī)理的先驗(yàn)知識和模型。同時(shí)在線滾動(dòng)修正策略的使用，使得所優(yōu)化的操作軌線具有更好適應(yīng)性，更好地滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)抗干擾的要求。
【附圖說明】
[0031]圖1為間歇過程的溫度曲線示例。
[0032]圖2為一個(gè)間歇過程溫度為優(yōu)化變量的主元模式圖。
[0033]圖3為時(shí)段變量的構(gòu)成圖。
[0034]圖4為時(shí)段變量和指標(biāo)變量主元載荷圖。
[0035]圖5為時(shí)段變量對指標(biāo)變量作用分類圖。
[0036]圖6為一個(gè)間歇過程的優(yōu)化溫度曲線和原始溫度曲線比較圖。
[0037]圖7為在線滾動(dòng)誤差修正策略的生成圖。
[0038]圖8為本發(fā)明實(shí)施步驟框圖。
[0039]圖9為滑動(dòng)平均濾波后的優(yōu)化曲線和原優(yōu)化曲線。
[0040]圖10為一個(gè)間歇結(jié)晶過程的優(yōu)化結(jié)果(局部)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ] 本例以一個(gè)間歇結(jié)晶過程為例，所述方法不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍限制。
[0042]本實(shí)施方法分為四個(gè)部分。第一部分為數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理。第二部分是聯(lián)合數(shù)據(jù)矩陣的構(gòu)造。第三部分是基礎(chǔ)優(yōu)化策略的計(jì)算。第四部分是建立滾動(dòng)誤差修正在線優(yōu)化策略。
[0043]本方法實(shí)施步驟框圖如圖8所示，具體實(shí)施步驟和算法如下:
[0044]步驟1:針對操作完整的間歇結(jié)晶過程，選擇與產(chǎn)品收率密切相關(guān)的操作溫度作為待優(yōu)化變量，按批次收集50組溫度變量以及最終收率指標(biāo)