基于混合模型的间歇过程动态实时优化方法的研究

To reduce the cost of production for batch processes, and improve the product qualities to cope with the increasingly fierce market competition, it is necessary to deeply research the operational optimal control of batch processes. Currently most dynamic optimization for batch processes was based on rigorous first principle models, but due to the complexity of the practical industrial processes, the situation is that the models are usually not well-matched, and it is difficult to guarantee the reliability of the optimization results. This project is based on the idea of hybrid model, and proposes to employ dynamic real-time optimization techinque to solve the operational optimal control problem of batch processes: By studying the incremental identification strategy for dynamic hybrid model, regularization method is used to accurately estimate the ummeasurable intermediante variables; On the basis of the aforementioned study resluts, integrated with outliers detection method, the idea of ensemble modeling is utilized to calibrate empirical models; Online update of the hybrid model is guided by calculating the prediction confidence region of the model; By introducing simultaneous strategy to solve the optimization model, orthogonal collocation is used to fully discrete the optimization model, and sequential quadratic programming is used to solve the large-scale nonlinear programming problem; The proposed method and technology are validated and improved on the existing experimental platform, and gradually applied to 1-2 typical batch industrial processes.

为了降低间歇过程的生产成本、改善产品质量以应对日益激烈的市场竞争，有必要对间歇过程的运行优化控制进行深入研究。目前针对间歇过程的动态优化大多基于严格机理模型，然而由于实际工业过程的复杂性，往往存在模型不匹配的现象，从而难以保证优化结果的可靠性。本项目基于混合建模思想，提出利用动态实时优化技术解决间歇过程的运行优化控制问题：通过研究动态混合模型的增量辨识策略，提出利用正则化方法实现不可测中间变量的精确估计；在上述研究结果的基础之上，结合离群点的识别方法，利用集成建模思想建立经验模型；通过对模型预测置信域的计算，指导混合模型的在线更新；通过联立算法求解优化模型，利用正交配置实现优化模型的完全离散化，并应用序贯二次规划求解所形成的大规模非线性规划问题；把所提出的相关方法和技术在已有的实验平台上进行验证与完善，并逐渐将其推广应用到1-2个典型的间歇工业生产过程。

本项目基于混合建模方法，针对间歇过程所具有的特性，全面考虑动态优化方法在间歇过程优化控制时需要解决的几个重点问题，提出一套系统解决间歇过程运行优化控制的方案。1. 间歇过程动态基本模型建模。针对间歇过程的动态建模问题，利用物料平衡关系，提出了一种通用的动态基本模型建模方法；2. 间歇过程动态混合模型离线辨识。首先，针对间歇过程数据的特点，提出了间歇过程离群点检测的基本框架，尽可能保留可用的过程数据，而剔除无用的离群点。其次，利用Tikhonov正则化方法有效解决反应速率的精确估计问题，将传统的同步辨识策略分解为两步辨识策略，从而避免传统辨识方法可能出现的不匹配现象以及局部极小点问题。3. 间歇过程动态混合模型在线更新。利用高斯混合模型对混合模型的预测置信域进行计算，避免盲目更新导致的混合模型性能下降，并提出一种输出校正与参数校正相结合的混合校正策略。4. 基于混合模型的间歇过程动态实时优化。建立动态混合模型的替代模型，利用修正项自适应优化策略使基于替代模型的优化问题与原优化问题相匹配，降低动态优化问题的求解计算量。同时，利用数据建模方法建立间歇过程的产品质量预测模型，通过修正操作变量轨迹，使产品质量重新回到最优设定值。5. 搭建湿法冶金过程优化控制实验平台。所搭建的湿法冶金过程优化控制实验平台可平行模拟实际生产过程并验证项目所提出的优化控制方法，还可利用工业通讯网络将实验平台直接应用到实际湿法冶金生产过程。