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)域中常見的反應(yīng)容器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程中，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于產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量等會產(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，魯棒性和實時性較差的問題。因此，CSTR控制方法的研究具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。對于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)的溫度往往能對產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量造成決定性的影響。在反應(yīng)過程中，若不能將多余的反應(yīng)熱及時移去，不但會降低生產(chǎn)效益，更可能影響反應(yīng)的安全性。因此，反應(yīng)過程的溫度控制具有重要的現(xiàn)實意義。另一個必須考慮的參數(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，實時監(jiān)控反應(yīng)濃度也是一項非常重要的任務(wù)。然而，實際應(yīng)用中濃度的實時檢測具有很高的復(fù)雜性，成本也比較昂貴，存在檢測條件、資金等多方面的限制。為解決這一問題，一些學(xué)者和工程

3、人員提出利用系統(tǒng)狀態(tài)觀測器對反應(yīng)濃度進(jìn)行實時估計，實踐證明這一做法是行之有效且具有實際價值的。
　　本文在查閱了大量關(guān)于CSTR系統(tǒng)狀態(tài)觀測器設(shè)計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)過程，對模型進(jìn)行了無量綱化處理，并通過仿真實驗對其穩(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是一個高度的非線性對象，所以本文分別

4、利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器EKF(ExtendedKalman filter)和無跡卡爾曼濾波器UKF(Unscented Kalman filter)對非線性CSTR系統(tǒng)的濃度變量進(jìn)行實時狀態(tài)估計，其中EKF利用雅可比矩陣(Jacobian Matrix)進(jìn)行實時線性化，UKF采用比例修正對稱采樣策略得到Sigma點集。文中給出了CSTR狀態(tài)估計兩種非線性KF算法的具體設(shè)計過程，并分析了兩種觀測器在進(jìn)行狀態(tài)估計時的優(yōu)缺點以及各自適用的系統(tǒng)。

5、通過仿真實驗驗證了所設(shè)計觀測器的有效性，并進(jìn)行了估計精度、穩(wěn)定性等方面的比較。
　　再次，對適合于線性系統(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)用到非線性過程系統(tǒng)的控制中。提出利用變增益線性二次型調(diào)節(jié)器LQR(Linear Quadratic Regulator)的方法對非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過對非線性實例的仿真實驗驗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、，針對二變量CSTR系統(tǒng)提出變增益NLTR(Nonlinear Loop Transfer Recovery)控制方法，采用EKF進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)觀測，利用線性二次高斯LQG控制方法設(shè)計控制器，加入積分單元以保證系統(tǒng)輸出跟蹤上設(shè)定值，通過傳遞函數(shù)恢復(fù)法對閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)性能恢復(fù)，從而完成了整個控制器的設(shè)計;仿真結(jié)果驗證了所提出的NLTR控制方法的穩(wěn)定性、快速性和魯棒性，通過與文獻(xiàn)中的終端滑?？刂芓SMC（Terminal Sliding M