連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的非線性LTR控制方法研究.pdf

1、連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器CSTR(Continuously Stirred Tank Reactor)作為一種化工領(lǐng)域中常見(jiàn)的反應(yīng)容器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，是進(jìn)行各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的重要設(shè)備，其操作狀況的好壞對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量等會(huì)產(chǎn)生直接的影響。目前由于CSTR系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性，其控制大都存在算法復(fù)雜，魯棒性和實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題。因此，CSTR控制方法的研究具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于CSTR系統(tǒng)，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度是其中最重要的

2、參數(shù)之一，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度往往能對(duì)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量造成決定性的影響。在反應(yīng)過(guò)程中，若不能將多余的反應(yīng)熱及時(shí)移去，不但會(huì)降低生產(chǎn)效益，更可能影響反應(yīng)的安全性。因此，反應(yīng)過(guò)程的溫度控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一個(gè)必須考慮的參數(shù)是反應(yīng)濃度，它直接顯示了反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)狀況以及產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)濃度也是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。然而，實(shí)際應(yīng)用中濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)具有很高的復(fù)雜性，成本也比較昂貴，存在檢測(cè)條件、資金等多方面的限制。為解決這一問(wèn)題，一些學(xué)者和工程

3、人員提出利用系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)反應(yīng)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，實(shí)踐證明這一做法是行之有效且具有實(shí)際價(jià)值的。
　　本文在查閱了大量關(guān)于CSTR系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)以及溫度控制的相關(guān)文獻(xiàn)后，首先，具體闡述了CSTR的結(jié)構(gòu)以及工作原理，給出了CSTR的非線性機(jī)理模型及其推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行了無(wú)量綱化處理，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了具體深入的探討。
　　其次，由于線性卡爾曼濾波器僅用在線性系統(tǒng)中，而CSTR是一個(gè)高度的非線性對(duì)象，所以本文分別

4、利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器EKF(ExtendedKalman filter)和無(wú)跡卡爾曼濾波器UKF(Unscented Kalman filter)對(duì)非線性CSTR系統(tǒng)的濃度變量進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)，其中EKF利用雅可比矩陣(Jacobian Matrix)進(jìn)行實(shí)時(shí)線性化，UKF采用比例修正對(duì)稱(chēng)采樣策略得到Sigma點(diǎn)集。文中給出了CSTR狀態(tài)估計(jì)兩種非線性KF算法的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，并分析了兩種觀測(cè)器在進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自適用的系統(tǒng)。

5、通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)觀測(cè)器的有效性，并進(jìn)行了估計(jì)精度、穩(wěn)定性等方面的比較。
　　再次，對(duì)適合于線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)恢復(fù)法LTR(Loop TransferRecovery)進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠應(yīng)用到非線性過(guò)程系統(tǒng)的控制中。提出利用變?cè)鲆婢€性二次型調(diào)節(jié)器LQR(Linear Quadratic Regulator)的方法對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過(guò)對(duì)非線性實(shí)例的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該非線性控制方法相比于線性LQR方法的優(yōu)越性;在此基礎(chǔ)上

6、，針對(duì)二變量CSTR系統(tǒng)提出變?cè)鲆鍺LTR(Nonlinear Loop Transfer Recovery)控制方法，采用EKF進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)，利用線性二次高斯LQG控制方法設(shè)計(jì)控制器，加入積分單元以保證系統(tǒng)輸出跟蹤上設(shè)定值，通過(guò)傳遞函數(shù)恢復(fù)法對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)性能恢復(fù)，從而完成了整個(gè)控制器的設(shè)計(jì);仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的NLTR控制方法的穩(wěn)定性、快速性和魯棒性，通過(guò)與文獻(xiàn)中的終端滑模控制TSMC（Terminal Sliding M