煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煮糖結(jié)晶過程的自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu) 化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煮糖結(jié)晶過程的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制是指僅根據(jù)煮糖系統(tǒng)結(jié)晶過程中產(chǎn)生的離線或在 線輸入輸出數(shù)據(jù)（輸入數(shù)據(jù)主要為物料流量或物料閥門開度，輸出數(shù)據(jù)主要為糖膏錘度、 液位、溫度或糖液過飽和度）設(shè)計控制器，設(shè)計的控制器不顯含或隱藏煮糖結(jié)晶系統(tǒng)的機 理模型信息，而且能夠保障系統(tǒng)的收斂性、穩(wěn)定性和魯棒性。由此可見，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的煮 糖結(jié)晶過程控制方法擺脫了傳統(tǒng)控制器設(shè)計對煮糖結(jié)晶過程機理模型的依賴，避免了傳統(tǒng) 控制器在機理模型復雜的情況下存在的魯棒性、可靠性等問題。
[0003]線性化方法是處理非線性系統(tǒng)的常見做法，其主要目的是為了簡化控制器的設(shè)計 過程，以便于控制過程的實現(xiàn)。典型的線性化方法有反饋線性化、Taylor線性化、分段線性 化、正交函數(shù)逼近線性化等，但這些線性化方法要么需要非線性系統(tǒng)模型的信息，要么需要 進行較多的模型參數(shù)調(diào)節(jié)。
[0004]公開于該【背景技術(shù)】部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應 當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法，從而 克服傳統(tǒng)控制器在機理模型復雜的情況下存在的魯棒性、可靠性等問題的缺點。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制 方法，包括以下步驟：1)設(shè)置煮糖結(jié)晶過程中的糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度及糖 膏體積的優(yōu)化范圍；2)獲取某一批次煮糖結(jié)晶過程的糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度 及糖膏體積；3)對所述糖膏溫度、所述糖液過飽和度、所述糖液純度及所述糖膏體積進行 優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的期望糖膏溫度、期望糖液過飽和度、期望糖液純度及期望糖膏體積； 4)設(shè)置所述CFDL-MFAPC控制器的控制參數(shù)，將期望糖膏溫度、期望糖液過飽和度、期望糖 液純度及期望糖膏體積轉(zhuǎn)化為所述CFDL-MFAPC控制器的期望輸出信號值；5)執(zhí)行所述 CFDL-MFAPC控制器，根據(jù)所述期望輸出信號值獲取所述CFDL-MFAPC控制器的控制輸入信 號以確定煮糖過程的入料閥門的開度。
[0007]優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，將期望糖膏溫度、期望糖液過飽和度、期望糖液純度及 期望糖膏體積轉(zhuǎn)化為所述CFDL-MFAPC控制器的期望輸出信號值的步驟如下：
[0008]21)通過以下（1)-(4)獲取糖液錘度和糖膏液位的期望輸出信號：
[0009]

[0013] 其中，為期望糖液飽和錘度，:ζ：為期望糖膏溫度，Puf為期望糖液純度， 糖液錘度的期望輸出信號，<為期望糖液過飽和度，I；為糖膏液位的期望輸出信號，< 為 期望糖膏體積，D為煮糖結(jié)晶罐罐體內(nèi)壁直徑，V。為糖膏初始體積，L。為糖膏初始液位；
[0014] 22)根據(jù)糖液錘度和糖膏液位的期望輸出信號獲取所述CFDL-MFAPC控制器的期 望輸出信號值，具體如下：
[0015] . "'
[0016] 其中，Wl為糖液錘度期望輸出信號的權(quán)重值，w2為糖膏液位期望輸出信號的權(quán)重 值，且 ％+ν2= 1。
[0017] 優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述CFDL-MFAPC控制器的控制模型構(gòu)建具體如下：
[0018]獲取非線性系統(tǒng)y(k+l) =f(y(k)，· · ·，y(k_ny)，u(k)，· · ·，u(k_nu))，采用 CFDL模型y(k+1) =y(k) +Φ。(k)Δu (k)對所述非線性系統(tǒng)進行等價，獲得向前預測方程 為：
[0019]
[0020] 令
[0021]
[0022] 其中，凡為控制時域常數(shù)，則式（6)表示為
[0023] YN (k+1) =E(k)y(k)+A(k)ΔUN (k) (8)
[0024]若Au(k+j_l) = 0,j>Nu，則式⑶改寫為
[0028] 一-「τ"η…
[0025]
[0026]
[0027]
[0029] 設(shè)其控制輸入準則函數(shù)
[0033]將式（9)帶入式（11)，兩端對Δ&?求導，并令其等于零，得
[0037]其中，g= [1，0...，0]T;
[0038] 對八八讓）中的PPD參數(shù)進行估計，PPD參數(shù)$⑴，…,|(々)可根據(jù)公式
[0039]
[0040]計算，而Mk+l)，···，（i>c(k+Nu_l)則需要根據(jù)4(1),…^㈨進行預測，其預測公 式為：
[0042]其中，j= 1，2，···，Ν,-1，0i，i= 1，2,…，np為系數(shù)，系數(shù)通常取np= 2 ~7,Θi 由式（15)計算
[0043]
[0044]其中
'，：δe(〇,1]。
[0045] 優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，根據(jù)所述CFDL-MFAPC控制器的控制模型，獲取所述 CFDL-MFAPC控制器的控制方法具體如下：
[0049] | |Θ(k) | |彡Μ，Θ(k) =Θ⑴，Θ⑴表示系數(shù)Θ(k)的初始值；
[0050] 43)計算公式
[0057] 其中，ε和Μ為正的常數(shù)；義⑷和+刀分別表示Ajk)和Mk+j)的估計 值。
[0058] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0059] 1.本發(fā)明引入了CFDL-MFAPC控制器進行控制，通過CFDL-MFAPC控制器的設(shè)計步 驟得設(shè)計出控制器進而得到輸入量，其核心是基于緊格式動態(tài)線性化的無模型自適應預測 控制方法基礎(chǔ)上實現(xiàn)的多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制，作用是在保持了MFAC自身的特性基 礎(chǔ)上，吸收了預測控制方法從而使控制效果更好和魯棒性更強等優(yōu)點。
[0060] 2.本發(fā)明和CFDL-MFAC以及傳統(tǒng)的PID控制方法CFDL-MFAPC具有更好的快速反 應能力和收斂性，顯示其具有更好的優(yōu)越性。
[0061] 3.本發(fā)明和CFDL-MFAC控制算法相比，CFDL-MFAPC控制算法對控制器參數(shù)的變化 的魯棒性比CFDL-MFAC控制算法更好。
【附圖說明】
[0062] 圖1是根據(jù)本發(fā)明煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法的流程圖。
[0063] 圖2是根據(jù)本發(fā)明CFDL-MFAPC算法的控制效果圖。
[0064] 圖3是根據(jù)本發(fā)明CFDL-MFAPC算法的輸出誤差圖。
[0065] 圖4是根據(jù)本發(fā)明CFDL-MFAPC算法的輸入信號圖。
[0066] 圖5是根據(jù)本發(fā)明CFDL-MFAPC算法的Pro估計值變化圖。
[0067] 圖6是CFDL-MFAC算法的控制效果圖。
[0068] 圖7是CFDL-MFAC算法的輸出誤差圖。
[0069] 圖8是CFDL-MFAC算法的輸入信號圖。
[0070] 圖9是CFDL-MFAC算法的Pro估計值變化圖。
[0071] 圖10是PID算法的控制效果圖。
[0072] 圖11是PID算法的輸出誤差圖。
[0073] 圖12是PID算法的輸入信號變化圖。
【具體實施方式】
[0074] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細描述，但應當理解本發(fā)明的保 護范圍并不受【具體實施方式】的限制。
[0075] 除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語"包括"或其變 換如"包含"或"包括有"等等將被理解為包括所陳述的組成部分，而并未排除其它組成部 分。
[0076] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的煮糖結(jié)晶過程多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控 制方法的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該方法包括：
[0077] 步驟S100 :設(shè)置煮糖結(jié)晶過程中的糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度及糖膏體 積的優(yōu)化范圍。
[0078] 步驟S101 :獲取某一批次煮糖結(jié)晶過程的糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度及 糖膏體積。
[0079] 步驟S102 :對糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度及糖膏體積進行優(yōu)化，獲得優(yōu)化 后的期望糖膏溫度、期望糖液過飽和度、期望糖液純度及期望糖膏體積；
[0080] 該步驟中，采用NSGA-II多目標優(yōu)化算法對糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度及 糖膏體積進行優(yōu)化。
[0081] 步驟S103:設(shè)置CFDL-MFAPC控制器的控制參數(shù)，將期望糖膏溫度、期望糖液過飽 和度、期望糖液純度及期望糖膏體積轉(zhuǎn)化為CFDL-MFAPC控制器的期望輸出信號值；
[0082] 具體地，設(shè)置CFDL-MFAPC控制器的控制參數(shù)包括ε、Μ、ηρ、δ、η、μΝ、Nu、λ、 4⑴θ⑴；
[0083] 其中，多目標優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動控制方法實現(xiàn)過程，由煮糖結(jié)晶過程機理模型可知， 影響最終產(chǎn)品質(zhì)量好壞的過程變量影響因素為糖膏溫度、糖液過飽和度、糖液純度、晶體體 積和糖膏體積。對于這些過程變量影響因子，由前述可知，糖膏溫度可通過穩(wěn)定其他條件實 現(xiàn)，而糖液過飽和度、糖液純度、晶體體積和糖膏體積則都基本需要通過入料決定。其中糖 液純度主要由入料本身性質(zhì)決定，剩余的糖液過飽和度、晶體體積和糖膏體積三個過程變 量，糖液過飽和度可由糖液錘度間接反映，而糖膏體積則可根據(jù)結(jié)晶罐結(jié)構(gòu)