氧化鋁連續(xù)碳酸化分解過程多重大時滯系統(tǒng)控制若干問題研究.pdf

1、氧化鋁連續(xù)碳酸化分解過程（簡稱碳分過程）由六個分解槽串聯(lián)組成，通過控制各槽的二氧化碳氣體通入量，實現(xiàn)末槽的分解率要求，以生產(chǎn)出滿足一定質(zhì)量指標的氫氧化鋁。由于六個分解槽地域跨度大，每個槽控制點到末槽的距離不同，物料傳質(zhì)所需的時間不同，導(dǎo)致每個槽控制量輸出到末槽分解率改變需要幾十分鐘甚至數(shù)個小時，時間長且各不相同，呈現(xiàn)出多重大時滯特性。多重大時滯的存在，造成末槽分解率信息無法實時準確的反饋給控制器，難以實現(xiàn)生產(chǎn)指標的閉環(huán)控制。并且多個控制

2、點的設(shè)置形成多個回路，不同控制回路間存在關(guān)聯(lián)耦合。當?shù)V源改變或外界干擾引起生產(chǎn)過程穩(wěn)態(tài)工作點改變時，由工人調(diào)節(jié)到新的穩(wěn)態(tài)工作點需較長時間。長時間的工礦不穩(wěn)造成生產(chǎn)指標波動大，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，研究碳分過程的解耦控制、時滯參數(shù)辨識、時間對應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制方法等問題，對企業(yè)增產(chǎn)增效，提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。
　　 論文在深入分析碳分過程工藝和反應(yīng)機理的基礎(chǔ)上，建立了碳分過程多重時滯動態(tài)模型，提出了一種多變量時滯過程的解耦S

3、mith控制方法，基于改進互相關(guān)函數(shù)和基于時效關(guān)聯(lián)分析矩陣的多重時滯參數(shù)辨識方法。在此基礎(chǔ)上，針對多重大時滯系統(tǒng)難以閉環(huán)穩(wěn)定控制的問題，提出了時間對應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制方法和基于工藝指標分解的分散控制策略，并將其應(yīng)用到碳分過程實際生產(chǎn)中，取得了較好的效果。論文主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　 (1)建立了碳分過程的多重時滯動態(tài)反應(yīng)模型。在分析碳分過程運行機理和生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)工業(yè)過程中連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的建模方法，基于物料平衡

4、原理建立碳分過程的動態(tài)模型，該模型體現(xiàn)了碳分過程關(guān)聯(lián)、多重時滯、非線性的特點。
　　 (2)針對實際工業(yè)生產(chǎn)中常見的多輸入多輸出時滯系統(tǒng)，用傳遞函數(shù)矩陣表示輸入、輸出之間的耦合關(guān)系，提出一種基于伴隨矩陣的解耦器設(shè)計方法。通過對解耦后對象的幅頻和相頻特性分析，獲得對象的簡化一階數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Smith預(yù)估控制結(jié)構(gòu)閉環(huán)特征方程的特點，提出基于Butterworth濾波器極點配置原理的PI控制器設(shè)計方法?？紤]被控過程參數(shù)和

5、執(zhí)行機構(gòu)等不確定性，分析了系統(tǒng)保證魯棒穩(wěn)定性的充要條件。最后通過仿真驗證了所提方法的有效性并分析了該方法應(yīng)用于碳分過程的可行性。
　　 (3)為了解決碳分過程的多重時滯辨識難題，分別提出了基于改進互相關(guān)函數(shù)和基于時效關(guān)聯(lián)分析矩陣的多重時滯參數(shù)辨識方法。對于工業(yè)過程中受控制信號影響的多個變量，選擇一個參考變量，考慮其它各變量和參考變量之間的相關(guān)性，基于有固定采樣周期的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過計算兩個變量的數(shù)據(jù)組在不同相對時延對應(yīng)的互相關(guān)

6、矩陣的奇異值，其最大奇異值對應(yīng)的相對時延即為所求時滯。另一方面，從多重時滯序列的角度出發(fā)，考慮由多個變量之間的不同時滯組成的時滯序列對應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣，定義時效關(guān)聯(lián)分析矩陣，并用其H∞范數(shù)定量地描述數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其最大H∞范數(shù)對應(yīng)的時滯序列即為所求多重時滯。比較分析兩種多重時滯辨識方法，將其分別應(yīng)用于碳分過程多重時滯辨識，在此基礎(chǔ)上計算了碳分過程模型參數(shù)并校驗了時滯辨識結(jié)果。
　　 (4)針對大時滯系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定控制困難的問

7、題，提出了一種時間對應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制策略。首先討論了幾類傳統(tǒng)方法對滯后時間長達幾十分鐘系統(tǒng)的控制效果，分析其難以閉環(huán)穩(wěn)定控制的根本原因是時滯很大導(dǎo)致控制量和輸出反饋量在時間上嚴重不對應(yīng)。通過引入大時滯系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)等效系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制量和反饋量間正確的時間對應(yīng)關(guān)系，再用脈沖響應(yīng)等效系統(tǒng)的輸出反饋量和設(shè)定值之間的偏差修正脈沖響應(yīng)系數(shù)和PID控制器參數(shù)以實現(xiàn)在線調(diào)整。最后分析了該控制方法的穩(wěn)定性并仿真對比證明了所提方法的優(yōu)越性。