基于分层递阶优化的工艺设计与过程控制一体化研究

Process design and control are closely related in chemical processes. Simultaneous process design and control may result in numerous economic and operability benefits over the traditional sequential design approach, and has become an urgent issue to be solved both for theoretical researchers and engineering practitioners. Based on a hierarchical optimization method, embedding the advanced controller into the simultaneous design and control framework is researched in the project, so that the designed chemical processes are characterized by robust and high performance, and can operate close to design boundaries and specification limits without design constraint violations. First, based on the inversely controlled process model and branch and bound method, the relation between plant-wide control structure and process design is researched. And simultaneous process design and control with conventional PID controllers is researched under disturbances and process model parameter uncertainties. The objective of the corresponding optimization is to minimize cost and maximize dynamic performance. And then, simultaneous process design and control with advanced process control is researched based on robust control tools. The worst-case performance of process outputs is estimated in order to obtain robust design. Finally, probabilistic reliability is researched by using constraint sensitivity analysis and chance constrained programming approach to reduce the conservatism in the process design. Implementing the advanced controller into the simultaneous process design and control framework may provide a new idea for robust and efficient operation of complex processes in chemical engineering and is of great practical and theoretical value.

工艺设计与过程控制是化工过程中两个密切相关的关键环节。工艺设计与过程控制一体化可极大地提高过程的可操作性和经济性能，已成为理论研究和工程实际迫切需要解决的科学问题。本项目基于分层递阶优化思想，探索解决将先进控制嵌入到工艺设计与过程控制的一体化框架中，以使所设计的复杂化工过程在不确定性因素干扰下能够维持稳健和高性能运行。首先，基于逆过程模型和多目标分支定界方法，从分析厂级控制结构与工艺设计的关联性出发，以成本最小化和控制性能最大化为目标，研究常规控制作用下复杂化工过程工艺设计与过程控制一体化方法；在此基础上，基于鲁棒控制理论，研究先进控制作用下复杂化工过程工艺设计与过程控制的稳健集成方法；最后，基于约束灵敏度分析以及机会约束规划理论，研究过程概率可靠性问题，以降低设计的保守性。本项目的研究将为实现高效优质运行的复杂化工生产过程提供新的研究方向和思路，具有重要的的理论意义和应用价值。

工艺设计与过程控制是化工过程中两个密切相关的关键环节。工艺设计与过程控制一体化可较大地提高过程的可操作性和经济性能，已成为理论研究和工程实际迫切需要解决的科学问题。本项目基于分层递阶优化思想，探索解决将先进控制嵌入到工艺设计与过程控制的一体化框架中，以使所设计的化工过程在外界干扰下能够维持稳健和高性能运行。取得的主要研究进展、重要结果包括：（1）从定性和定量的角度，实现控制结构与工艺设计的关联性分析。首先，结合RGA和基于热力学第二定律的相对㶲增益矩阵（REA），分别以可控性和能效为具体指标，对控制结构进行选择，使所选的控制结构既有良好的可操作性，又能够提高过程能效；其次，引入完全控制方程和逆过程模型，基于优化的方法实现控制结构与工艺设计的关联性分析，并在并在目标函数中引入㶲损指标，以实现能效的同步优化。（2）采用双层优化思想，构造了一种基于双层优化策略的工艺设计与过程控制的一体化结构框架，外层优化应用动态优化算法获得过程工艺设计参数，内层优化应用最优控制策略对外层工艺优化的结果进行动态性能的评估，获得满足过程动态控制性能要求的控制器参数。进而，通过内外两层优化问题之间的迭代优化，得到最优的过程工艺设计参数和控制器参数。（3）借用鲁棒控制理论的概念，实现基于鲁棒模型的工艺设计与过程控制的一体化。该方法的核心思想是将闭环过程的非线性行为辨识成不确定性状态空间模型，然后基于该鲁棒模型利用二次李雅普诺夫函数（QLF）来保证闭环过程的渐近稳定性，同时也可以利用线性矩阵不等式（LMI）来获得该闭环过程在外部扰动情况下过程变量的最坏输出情况。最后将整个集成设计问题由动态优化问题转变成一个带约束的非线性规划问题。本项目的研究将为实现高效优质运行的复杂化工生产过程提供新的研究方向和思路，具有重要的的理论意义和应用价值。