煮糖结晶过程多目标优化与数据驱动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煮糖结晶过程的自动控制领域，特别涉及一种煮糖结晶过程多目标优 化与数据驱动控制方法。
【背景技术】
[0002] 煮糖结晶过程的数据驱动控制是指仅根据煮糖系统结晶过程中产生的离线或在 线输入输出数据（输入数据主要为物料流量或物料阀门开度，输出数据主要为糖膏锤度、 液位、温度或糖液过饱和度）设计控制器，设计的控制器不显含或隐藏煮糖结晶系统的机 理模型信息，而且能够保障系统的收敛性、稳定性和鲁棒性。由此可见，基于数据驱动的煮 糖结晶过程控制方法摆脱了传统控制器设计对煮糖结晶过程机理模型的依赖，避免了传统 控制器在机理模型复杂的情况下存在的鲁棒性、可靠性等问题。
[0003]线性化方法是处理非线性系统的常见做法，其主要目的是为了简化控制器的设计 过程，以便于控制过程的实现。典型的线性化方法有反馈线性化、Taylor线性化、分段线性 化、正交函数逼近线性化等，但这些线性化方法要么需要非线性系统模型的信息，要么需要 进行较多的模型参数调节。
[0004]公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应 当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种煮糖结晶过程多目标优化与数据驱动控制方法，从而 克服传统控制器在机理模型复杂的情况下存在的鲁棒性、可靠性等问题的缺点。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种煮糖结晶过程多目标优化与数据驱动控制 方法，包括以下步骤：1)设置煮糖结晶过程中的糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度及糖 膏体积的优化范围；2)获取某一批次煮糖结晶过程的糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度 及糖膏体积；3)对所述糖膏温度、所述糖液过饱和度、所述糖液纯度及所述糖膏体积进行 优化，获得优化后的期望糖膏温度、期望糖液过饱和度、期望糖液纯度及期望糖膏体积； 4)设置所述CFDL-MFAPC控制器的控制参数，将期望糖膏温度、期望糖液过饱和度、期望糖 液纯度及期望糖膏体积转化为所述CFDL-MFAPC控制器的期望输出信号值；5)执行所述 CFDL-MFAPC控制器，根据所述期望输出信号值获取所述CFDL-MFAPC控制器的控制输入信 号以确定煮糖过程的入料阀门的开度。
[0007]优选地，上述技术方案中，将期望糖膏温度、期望糖液过饱和度、期望糖液纯度及 期望糖膏体积转化为所述CFDL-MFAPC控制器的期望输出信号值的步骤如下：
[0008]21)通过以下（1)-(4)获取糖液锤度和糖膏液位的期望输出信号：
[0009]
[0013] 其中，为期望糖液饱和锤度，:ζ：为期望糖膏温度，Puf为期望糖液纯度， 糖液锤度的期望输出信号，<为期望糖液过饱和度，I；为糖膏液位的期望输出信号，< 为 期望糖膏体积，D为煮糖结晶罐罐体内壁直径，V。为糖膏初始体积，L。为糖膏初始液位；
[0014] 22)根据糖液锤度和糖膏液位的期望输出信号获取所述CFDL-MFAPC控制器的期 望输出信号值，具体如下：
[0015] . "'
[0016] 其中，Wl为糖液锤度期望输出信号的权重值，w2为糖膏液位期望输出信号的权重 值，且 ％+ν2= 1。
[0017] 优选地，上述技术方案中，所述CFDL-MFAPC控制器的控制模型构建具体如下：
[0018]获取非线性系统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)对所述非线性系统进行等价，获得向前预测方程 为：
[0019]
[0020] 令
[0021]
[0022] 其中，凡为控制时域常数，则式（6)表示为
[0023] YN (k+1) =E(k)y(k)+A(k)ΔUN (k) (8)
[0024]若Au(k+j_l) = 0,j>Nu，则式⑶改写为
[0028] 一-「τ"η…
[0025]
[0026]
[0027]
[0029] 设其控制输入准则函数
[0033]将式（9)带入式（11)，两端对Δ&?求导，并令其等于零，得
[0037]其中，g= [1，0...，0]T;
[0038] 对八八让）中的PPD参数进行估计，PPD参数$⑴，…,|(々)可根据公式
[0039]
[0040]计算，而Mk+l)，···，（i>c(k+Nu_l)则需要根据4(1),…^㈨进行预测，其预测公 式为：
[0042]其中，j= 1，2，···，Ν,-1，0i，i= 1，2,…，np为系数，系数通常取np= 2 ~7,Θi 由式（15)计算
[0043]
[0044]其中
'，：δe(〇,1]。
[0045] 优选地，上述技术方案中，根据所述CFDL-MFAPC控制器的控制模型，获取所述 CFDL-MFAPC控制器的控制方法具体如下：
[0049] | |Θ(k) | |彡Μ，Θ(k) =Θ⑴，Θ⑴表示系数Θ(k)的初始值；
[0050] 43)计算公式
[0057] 其中，ε和Μ为正的常数；义⑷和+刀分别表示Ajk)和Mk+j)的估计 值。
[0058] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0059] 1.本发明引入了CFDL-MFAPC控制器进行控制，通过CFDL-MFAPC控制器的设计步 骤得设计出控制器进而得到输入量，其核心是基于紧格式动态线性化的无模型自适应预测 控制方法基础上实现的多目标优化与数据驱动控制，作用是在保持了MFAC自身的特性基 础上，吸收了预测控制方法从而使控制效果更好和鲁棒性更强等优点。
[0060] 2.本发明和CFDL-MFAC以及传统的PID控制方法CFDL-MFAPC具有更好的快速反 应能力和收敛性，显示其具有更好的优越性。
[0061] 3.本发明和CFDL-MFAC控制算法相比，CFDL-MFAPC控制算法对控制器参数的变化 的鲁棒性比CFDL-MFAC控制算法更好。
【附图说明】
[0062] 图1是根据本发明煮糖结晶过程多目标优化与数据驱动控制方法的流程图。
[0063] 图2是根据本发明CFDL-MFAPC算法的控制效果图。
[0064] 图3是根据本发明CFDL-MFAPC算法的输出误差图。
[0065] 图4是根据本发明CFDL-MFAPC算法的输入信号图。
[0066] 图5是根据本发明CFDL-MFAPC算法的Pro估计值变化图。
[0067] 图6是CFDL-MFAC算法的控制效果图。
[0068] 图7是CFDL-MFAC算法的输出误差图。
[0069] 图8是CFDL-MFAC算法的输入信号图。
[0070] 图9是CFDL-MFAC算法的Pro估计值变化图。
[0071] 图10是PID算法的控制效果图。
[0072] 图11是PID算法的输出误差图。
[0073] 图12是PID算法的输入信号变化图。
【具体实施方式】
[0074] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保 护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0075] 除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语"包括"或其变 换如"包含"或"包括有"等等将被理解为包括所陈述的组成部分，而并未排除其它组成部 分。
[0076] 图1显示了根据本发明优选实施方式的煮糖结晶过程多目标优化与数据驱动控 制方法的结构示意图。如图1所示，该方法包括：
[0077] 步骤S100 :设置煮糖结晶过程中的糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度及糖膏体 积的优化范围。
[0078] 步骤S101 :获取某一批次煮糖结晶过程的糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度及 糖膏体积。
[0079] 步骤S102 :对糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度及糖膏体积进行优化，获得优化 后的期望糖膏温度、期望糖液过饱和度、期望糖液纯度及期望糖膏体积；
[0080] 该步骤中，采用NSGA-II多目标优化算法对糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度及 糖膏体积进行优化。
[0081] 步骤S103:设置CFDL-MFAPC控制器的控制参数，将期望糖膏温度、期望糖液过饱 和度、期望糖液纯度及期望糖膏体积转化为CFDL-MFAPC控制器的期望输出信号值；
[0082] 具体地，设置CFDL-MFAPC控制器的控制参数包括ε、Μ、ηρ、δ、η、μΝ、Nu、λ、 4⑴θ⑴；
[0083] 其中，多目标优化与数据驱动控制方法实现过程，由煮糖结晶过程机理模型可知， 影响最终产品质量好坏的过程变量影响因素为糖膏温度、糖液过饱和度、糖液纯度、晶体体 积和糖膏体积。对于这些过程变量影响因子，由前述可知，糖膏温度可通过稳定其他条件实 现，而糖液过饱和度、糖液纯度、晶体体积和糖膏体积则都基本需要通过入料决定。其中糖 液纯度主要由入料本身性质决定，剩余的糖液过饱和度、晶体体积和糖膏体积三个过程变 量，糖液过饱和度可由糖液锤度间接反映，而糖膏体积则可根据结晶罐结构