本發(fā)明屬于石油化工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

石油化工工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，承擔(dān)著為我國提供各種能源的重?fù)?dān)。常規(guī)的催化裂化裝置由三個(gè)部分組成，包含反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)以及吸收穩(wěn)定系統(tǒng)。作為催化裂化的核心部分，反應(yīng)再生系統(tǒng)(reactionregenerationsystem，rrs)將原油經(jīng)過加工，生成各種各樣的輕質(zhì)油產(chǎn)品。但現(xiàn)有的反應(yīng)再生系統(tǒng)為非線性反應(yīng)再生系統(tǒng)，存在控制精度低，且硬件負(fù)擔(dān)大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，以解決現(xiàn)有的非線性反應(yīng)再生系統(tǒng)控制精度低且硬件負(fù)擔(dān)大的問題。

本發(fā)明提供的基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，包括：

s1：將反應(yīng)再生系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為階躍響應(yīng)模型；

s2：建立dmpc模型，dmpc模型包括開環(huán)預(yù)測模塊、穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊和動(dòng)態(tài)矩陣控制模塊；

s3：利用qpso算法，在不放松約束條件的前提下，對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解；其中，約束條件包括操作變量的硬約束和軟約束，被控變量的硬約束和軟約束，外部目標(biāo)的約束；

s4：根據(jù)qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解獲得反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值，并與實(shí)際輸出的偏差作為目標(biāo)誤差函數(shù)，利用qpso算法對該目標(biāo)誤差函數(shù)求解，獲得操作變量的最佳變化量。

利用上述根據(jù)本發(fā)明提供的基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，能夠賦予粒子更高的隨機(jī)性，最優(yōu)粒子可以表達(dá)更大范圍內(nèi)的最優(yōu)值，該方法不僅減小了rrs硬件負(fù)擔(dān)，還能獲取更優(yōu)的操作變量參數(shù)，真正達(dá)到rrs的自適應(yīng)最優(yōu)控制。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的dmpc對rrs輸出的跟蹤效果圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的dmpc對rrs輸入的跟蹤效果；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的qpso-dmpc對rrs的輸出的跟蹤結(jié)果圖；

圖5根據(jù)本發(fā)明的qpso-dmpc對rrs的輸出的跟蹤結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的全面理解，闡述了許多具體細(xì)節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)這些實(shí)施例。在其它例子中，為了便于描述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備以方框圖的形式示出。

名詞解釋

dmpc：thedouble-layerdmodelpredictivecontrol，雙層模型預(yù)測控制。

qpso：quantum-behavedparticleswarmoptimizationalgorithm，量子粒子群優(yōu)化算法。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法的流程。

如圖1所示，本發(fā)明提供的基于qpso-dmpc的反應(yīng)再生系統(tǒng)優(yōu)化控制方法，包括如下步驟：

s1：將rrs的傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為階躍響應(yīng)模型。

轉(zhuǎn)換后的rrs的階躍響應(yīng)模型如下：

式(1)中，δu為操作變量的變化量，k為時(shí)間，n為模型長度，為rrs操作變量的階躍響應(yīng)系數(shù)矩陣，為rrs干擾變量的階躍響應(yīng)系數(shù)矩陣,對滿足

s2：建立dmpc模型，dmpc模型包括開環(huán)預(yù)測模塊、穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊和動(dòng)態(tài)矩陣控制模塊。

建立開環(huán)預(yù)測模塊的過程，包括如下步驟：

s211：當(dāng)δu(k+i-1)＝0、δv(k+i-1)＝0(1≤i≤p)時(shí)，設(shè)為對y(k+p|k)的預(yù)測值，其中，δν為干擾變量的變化量，p為預(yù)測時(shí)域，則有：

s212：考慮反饋校正，假設(shè)vss(k)＝vss(k-1)+δv(k)為已知，從k時(shí)刻開始，反應(yīng)再生系統(tǒng)的操作變量不再變化時(shí)，基于式(2)得到反應(yīng)再生系統(tǒng)的開環(huán)預(yù)測為y^ol(k+i|k)，當(dāng)檢測到δu(k-1)時(shí)求解得到反應(yīng)再生系統(tǒng)的開環(huán)預(yù)測：

s213：基于式(3)與rrs的實(shí)際輸出，得到誤差

s214：對誤差進(jìn)行一階指數(shù)平滑處理，得到：

s215：以平滑處理后的誤差為基準(zhǔn)，對rrs的輸出進(jìn)行反饋校正，且反饋校正在未來所有時(shí)間點(diǎn)都是恒定的，記為k時(shí)刻的開環(huán)動(dòng)態(tài)預(yù)測值得到：

s216：結(jié)合式(4)，得到開放穩(wěn)態(tài)預(yù)測：

建立穩(wěn)態(tài)目標(biāo)計(jì)算模塊的過程，包括如下步驟：

s221：提取所有反應(yīng)再生系統(tǒng)的操作變量和被控變量的硬約束條件與軟約束條件，并合并表達(dá)為關(guān)于穩(wěn)態(tài)操作變量的變化量δuss(k)的形式：

其中，為操作變量的上限，為操作變量的理想值的集合，為穩(wěn)態(tài)增益矩陣，為穩(wěn)態(tài)被控變量的變化量，為被控變量的理想值的集合，k為迭代次數(shù)，t為時(shí)間。

更為具體地，穩(wěn)態(tài)mv的硬約束為：

在mpc控制過程中,存在mv變化速率約束0≤j≤m-1，其中，m為控制時(shí)域，則增加的穩(wěn)態(tài)mv的硬約束為：

對δus(k)進(jìn)行限制，則增加的穩(wěn)態(tài)mv的硬約束為：

穩(wěn)態(tài)cv的硬約束為：

穩(wěn)態(tài)cv的軟約束為：

在實(shí)際過程中，總是滿足yo,h≤yo；另外，對δyss(k)進(jìn)行限制，則增加的穩(wěn)態(tài)cv的硬約束為

cv的新穩(wěn)態(tài)值僅決定于δuss(k)的大小，而與mv動(dòng)態(tài)變化路徑無關(guān)，穩(wěn)態(tài)預(yù)測模型為：

其中，為穩(wěn)態(tài)增益矩陣；為開環(huán)穩(wěn)態(tài)預(yù)測。

所有條件合并表達(dá)為關(guān)于穩(wěn)態(tài)操作變量的變化量δuss(k)的形式：

s222：建立經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)：

s223：放松約束條件，采用二次規(guī)劃方法對式(5)進(jìn)行求解，獲得穩(wěn)態(tài)操作變量的變化量δuss(k)。

建立動(dòng)態(tài)矩陣控制模塊的過程，包括如下步驟：

s231：取預(yù)測時(shí)域?yàn)閜，控制時(shí)域?yàn)閙，在每個(gè)時(shí)刻k，可得到：

s232：當(dāng)p大于n時(shí)，y^ol(k+j|k)＝y(tǒng)^ol(k+n|k)，j＞n，該預(yù)測值包含預(yù)測誤差的反饋校正及干擾的影響，得到：

其中，d為動(dòng)態(tài)控制矩陣；

s233：在動(dòng)態(tài)矩陣中，根據(jù)qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解獲得反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值，并與實(shí)際輸出的偏差作為目標(biāo)誤差函數(shù)，選擇最小化的目標(biāo)誤差函數(shù)如下：

為了讓預(yù)測輸出盡可能地接近實(shí)際輸出，以式(5)的解求得rrs的輸出設(shè)定值和實(shí)際輸出的誤差為目標(biāo)誤差函數(shù)。

s234：對最小化的目標(biāo)函數(shù)(6)求解，獲得穩(wěn)態(tài)操作變量的最佳變化量。

采用matlab7.0為仿真平臺，以rrs為對象，進(jìn)行dmpc算法的研究，仿真過程中，采樣周期為4分鐘，權(quán)重向量b＝(122211)，jmin＝-3，建模時(shí)域n＝30，作變量下限ui為0，預(yù)測控制的操作變量上限為600，被控變量下限yi為0，被控變量上限為800，穩(wěn)態(tài)操作變量變化值δus(k)為100，操作變量變化值為50。

各操作變量代表名稱如表1所示：

表1各操作變量代表名稱

各被控變量代表名稱如表2所示：

表2各被控變量代表名稱

通過實(shí)驗(yàn)仿真，dmpc對輸出的跟蹤效果以及對輸入的跟蹤效果如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，在考慮各變量優(yōu)先級順序的條件下，通過放松約束條件對最佳的操作變量變化量進(jìn)行求取，仿真結(jié)果表明，dmpc對rrs的輸入和輸出有很好的跟蹤效果。然而，放松約束條件不僅對硬件設(shè)備提出了更高的要求，而且所求的最優(yōu)解是通過放松約束條件后求取的最優(yōu)解，并不是真正意義上的最優(yōu)解。群體智能算法在不放松約束條件下，對最優(yōu)化問題的求解比傳統(tǒng)的二次規(guī)劃或線性規(guī)劃方法有天然的優(yōu)勢，因此，本發(fā)明將qpso算法引入到dmpc中。

s3：利用qpso算法，在不放松約束條件的前提下，對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解。

其中，約束條件包括操作變量的硬約束和軟約束，被控變量的硬約束和軟約束，外部目標(biāo)的約束。

利用qpso算法，在不放松約束條件的前提下，對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解的過程如下：

s31：初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括種群規(guī)模n、最大迭代次數(shù)t、隨機(jī)生成n個(gè)粒子x1,x2，…,xn、粒子維數(shù)m、壓縮-擴(kuò)張因子α和令外部存檔集q，q為空；

s32：評價(jià)每個(gè)粒子的適應(yīng)度，并根據(jù)優(yōu)劣對個(gè)體最優(yōu)值和全局最優(yōu)值進(jìn)行替換；

s33：將每個(gè)粒子的當(dāng)前適應(yīng)度pi和個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度進(jìn)行比較，如果當(dāng)前適應(yīng)度pi支配個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度則將當(dāng)前適應(yīng)度pi代替?zhèn)€體最優(yōu)適應(yīng)度否則，保留原有的個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度

s34：更新外部存檔集q，將種群中所有的非支配集加入外部存檔集q，并刪除被支配的粒子；

s35：利用擁擠機(jī)制和禁忌算法在外部存檔集q中隨機(jī)選擇一個(gè)粒子作為全局最優(yōu)值；

s36：更新作為全局最優(yōu)值的粒子的位置xij(t)，更新公式為：

eij(t)＝βpij(t)+(1-β)pgj(t)

其中，xij(t+1)表示作為全局最優(yōu)值的粒子更新后的位置，pij為第i個(gè)粒子第m維的當(dāng)前最優(yōu)位置，pgj為全局最優(yōu)位置，uij與β分別為0到1之間的隨機(jī)數(shù)，α為擴(kuò)張-收縮因子，會影響單個(gè)粒子的收斂性，從1至0.5隨迭代次數(shù)自適應(yīng)變化；

s37：判斷當(dāng)前全局最優(yōu)解是否滿足條件或者迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)t，如果是，則輸出當(dāng)前全局最優(yōu)解，否則，跳轉(zhuǎn)至步驟s32進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，直到當(dāng)前全局最優(yōu)解滿足條件或者迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)t為止；

s38：不放松約束條件，利用qpso對建立的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)j進(jìn)行求解，求得單目標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)操作變量的變化量δuss(k)。

s4：根據(jù)qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解獲得反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值，并與實(shí)際輸出的偏差作為目標(biāo)誤差函數(shù)，利用qpso算法對該目標(biāo)誤差函數(shù)求解，獲得操作變量的最佳變化量。

利用qpso算法對目標(biāo)誤差函數(shù)求解，獲得操作變量的最佳變化量的過程，包括如下步驟：

s41：取預(yù)測時(shí)域?yàn)閜，控制時(shí)域?yàn)閙，在每個(gè)時(shí)刻k，可得到：

s42：當(dāng)p大于n時(shí)，y^ol(k+j|k)＝y(tǒng)^ol(k+n|k)，j＞n，該預(yù)測值包含預(yù)測誤差的反饋校正及干擾的影響，得到：

s43：在動(dòng)態(tài)矩陣中，根據(jù)qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解獲得反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值，并與實(shí)際輸出的偏差作為目標(biāo)誤差函數(shù)，選擇最小化的目標(biāo)誤差函數(shù)j(k)如下：

在動(dòng)態(tài)矩陣中，根據(jù)qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解獲得反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值的公式為：

式(5)中，yss(k)為反應(yīng)再生系統(tǒng)的輸出設(shè)定值，δuss(k)為qpso算法對經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)求得的解，為穩(wěn)態(tài)增益矩陣，由系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型得到；為開環(huán)穩(wěn)態(tài)預(yù)測，由辨識好的傳遞函數(shù)模型得到。

s44：利用qpso算法對最小化的目標(biāo)函數(shù)求解，獲得操作變量的最佳變化量。

步驟s44的操作過程請參照步驟s31-s37。

采用matlab7.0為仿真平臺，以rrs為對象，進(jìn)行各算法的研究，仿真過程中，采樣周期為4分鐘，建模時(shí)域n＝600，操作變量下限ui為-0.5，預(yù)測控制的操作變量上限為0.5，被控變量下限yi為-0.5，被控變量上限為0.5，穩(wěn)態(tài)操作變量變化值δus(k)為0.1，操作變量變化值為0.1，b1＝[0.122]，a1＝[1020200]，j1max＝－3，j2max＝－4。各變量所代表意義如表1和表2所示，算法的參數(shù)取值如表3所示：

表3各算法參數(shù)取值表

qpso-dmpc對rrs輸出的跟蹤效果以及對輸入的跟蹤效果的如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，通過設(shè)置rrs的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化函數(shù)，并采用qpso對rrs的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問題求解，在保證經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對rrs的過程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制，即采用qpso對dmpc的動(dòng)態(tài)矩陣控制階段進(jìn)行求解，仿真結(jié)果表明，qpso-dmpc能對rrs的被控變量和操作變量進(jìn)行跟蹤，表明了qpso-dmpc算法在rrs中的有效性。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。