工业预测控制系统的结构设计与参数整定

Predictive control is an important control technology to make the industrial process intelligent and optimal. For the controlled processes of unit or device level often with complex demands, the application effect of predictive control depends on model precision, control strategy, parameters tuning, etc. The poor concentration on the study of application caused rare research results in control strategy and online debugging, and the application effect is not significant that impedes the spread and application of predictive control. This project will carry out the research on structural design that is irrelevant to process technology, parameters tuning, etc. An asymptotic design method based on structure analysis for multivariable predictive control will be proposed. Intelligent parameters tuning strategy, performance diagnosis method and a significant output prediction error algorithm or compensation strategy based on mechanism of steady-state optimization will be proposed. The convergence of input/output steady-state target and process value sequence based on the synergic mechanism of steady-state optimization and dynamic control will be analyzed..The contribution degree of steady-state optimization on solving the problem of constrained multivariable control will be studied. A predictive control computing performance benchmark and engineering strategy will be formed. This project belongs to a cutting-edge research on predictive control technology, which is identity of great theoretical significance and application value, and will play a certain role in promoting the industrial production process optimization.

工业预测控制技术是提升工业过程智能化和最优化的重要控制技术。由于被控对象往往是操作复杂的单元级或装置级生产过程，预测控制应用效果取决于模型、控制策略和参数整定等多个方面。我国预测控制应用研究开展相对较少，应用策略与在线调试研究成果匮乏，应用效果提升不明显导致推广困难。本项目将面向应用开展与被控过程工艺无关的结构设计与参数整定等相关研究：提出基于结构分析的多变量预测控制渐近式设计方法；考察稳态优化作用机理，提出智能参数整定策略、性能诊断方法以及针对显著输出预测误差的改进算法或补偿策略；研究稳态优化与动态控制协同机制，进行输入输出稳态目标、过程值序列的收敛性分析；针对稳态优化层对解决有约束多变量控制问题的贡献度开展研究，形成面向复杂需求预测控制计算性能基准与工程化策略。本项目研究属于工业预测控制技术前沿研究，具有重要理论意义和应用价值，同时对我国工业生产过程实现最优化将具有一定的推动作用。

通过对原理内涵的诠释，阐明了双层结构将工业生产过程物质平衡和能量平衡与优化控制融于一体的机制以及客观性和合理性，揭示了双层结构预测控制对工业过程优化与控制在方法论上的优越性，促进了复杂工业过程先进过程控制的理论与技术进步。基于双层结构MPC的原理研究基础，发展了稳态优化可行性判定与调整方法、积分变量的稳态模型等一系列稳态优化新方法，提出模型辨识与在线控制的半自适应控制体系架构。论证了稳态优化的前馈控制作用，增加的稳态优化使得控制系统整体的性能优于反馈控制，完善了多变量控制设计理论与方法，为先进过程控制工业软件开发提拱了算法基础。对稳态优化LP和QP算法最优解进行了模态分析，对于实际工业系统安全、优化运行设计具有重要科学指导意义。针对工业应用中存在的模型失配问题，将抓主要矛盾思想引入到多变量控制系统结构设计，提出了弱耦合结构设计方法，将结构稳定的概念引入到多变量控制控制系统设计中，同时也将调优（稳态）与调稳（动态）问题分离，为稳态优化提供了稳定控制的保障，有利于工程项目实施速度的加快。在工程应用验证与推广方面，在大型空分装置、铝合金熔炼炉开展了技术验证并取得成功。空分装置投运后提升直接经济利润2.6%；铝合金熔炼炉投运后综合能耗和产品单位产量综合能耗分别下降5.99%和6.56%。在工程设计与实施过程中，申请人发现控制系统结构对复杂系统稳定性有较大的影响，通过分析验证，提出了多变量控制系统的弱耦合结构设计方法。结合弱耦合设计方法和空分装置工艺特点，形成了大型空分装置自动变负荷APC行业解决方案。