非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，该控制器设计方法在保证系统外部动态满足性能要求的同时也能够保证系统内部零动态的稳定。首先根据实际的生产过程对CSTR进行系统建模，得到该控制系统的非线性数学模型；然后利用状态反馈线性化理论将得到的非线性系统进行精确反馈线性化，得到非线性系统的线性化标准型；最后基于二次型最优控制理论和李雅普诺夫稳定性理论，在线性化标准型的基础上给出了具有非最小相位特性等温CSTR的一种非线性控制器设计方法。最终的控制器可以采用数字信号处理器即DSP控制器通过软件编程来实现。
【专利说明】非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非最小相位等温连续搅拌釜式反应器(CSTR)的控制器设计及构造方法，尤其涉及一种利用CSTR生产环戊烯这一实际化工生产过程的控制器设计及其构造方法，属于自动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]CSTR是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统，利用CSTR生产环戊烯的这一化工生产过程便具有典型的非线性、非最小相位特性。对具有非线性非最小相位特性的系统的稳定控制一直是人们研究的重点，由此产生了各种不同的控制方法和策略，近似线性化方法和微分几何方法是其中最常用的两种方法。
[0003]非线性系统的近似线性化控制方法作为一种较为有效的控制方法已经发展得比较成熟，该方法的主要思想将原非线性系统在其状态空间中的某一平衡点处进行近似线性化，然后再对线性化的模型进行控制器设计。然而从本质上讲许多化工系统都是复杂非线性系统，当系统受到的扰动较大时，系统的运行点就会发生较大的偏移，此时采用线性控制方法将难以满足实际性能要求，因此客观上就需要在明确考虑实际系统的非线性特征的基础上设计非线性控制器。
[0004]近三十年来，随着非线性控制理论的发展，非线性控制方法也得到了广泛的研究，例如各种反馈线性化方法(如微分几何方法和逆系统方法等)>Lyapunov直接控制方法等。上述各种方法中又以微分几何方法使用最广，这一方法的基本思想是采用一个合适的坐标变换及一个恰当的状态反馈将原非线性系统进行精确反馈线性化，这样便能得到原非线性系统的线性化标准型，然后再对标准型中的线性子系统部分进行控制器设计。这是一种使非线性系统在其整个状态空间上或状态空间的一个足够大的域中精确线性化的理论和方法，按这种方法设计的控制系统可以解决传统近似线性化方法带来的弊端。该方法在对非线性系统进行线性化的过程中，通过微分同胚变换可将原非线性系统变换为两部分:线性子系统描述的外部动态和非线性子系统描述的内部动态(即零动态)。对于非最小相位系统(即零动态不稳定的系统)，仅对线性子系统所设计的能使外部动态满足某种性能要求的控制器却难以保证系统内部零动态的稳定，因此非最小相位特性使基于微分几何的精确反馈线性化方法遇到了极大挑战。
[0005]为了真正实现对化工生产过程的高性能控制，就必须要解决非线性、非最小相位特性对系统运行时所造成的不良影响，寻求一种有效的控制方法。
【发明内容】
[0006]1、技术问题
[0007]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计与构造方法。针对CSTR生产环戊烯的化工生产过程具有的典型非线性、非最小相位特性，本发明将提供一种对该生产过程行之有效的非线性控制器设计及构造方法，据此方法构造出的控制器能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。
[0008]2、技术方案
[0009] 本发明的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的一种非线性控制器设计及构造方法，采取的技术方案是:首先根据实际工况建立环戊烯生产系统的非线性数学模型，在此基础上运用以微分几何为数学工具的精确反馈线性化理论将所要控制的系统进行状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统；然后基于线性二次型最优控制理论和李雅普诺夫稳定理论，针对具有非线性非最小相位特性的采用CSTR生产环戊烯的这一化工生产系统，给出了一种优化调节方法；最后利用DSP控制器编程实现该控制器的构造。具体包括以下几个步骤:
[0010](1)根据实际的环戊烯生产过程建立CSTR的非线性数学模型；
[0011](2)将该数学模型进行精确状态反馈线性化，得到其线性化标准型；
[0012](3)验证被控系统是否是非最小相位系统；
[0013](4)将标准型系统的非线性子系统作分解处理；
[0014](5)设被控系统控制器的一般形式为V = -Gx+vm其中，X为系统的状态，G为行增益向量，是为使被控系统内部零动态稳定而引入的非线性补偿项；
[0015](6)通过二次型最优控制理论确定待定参数G ;通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数Vm。
[0016]所述步骤(1)中，实际生产过程所选用的是利用CSTR生产环戊烯这一化工过程，建立非线性数学模型如下式所示:
【权利要求】
1.非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于: (1)根据实际的环戊烯生产过程建立CSTR的非线性数学模型； (2)将该数学模型进行精确状态反馈线性化，得到其线性化标准型； (3)验证被控系统是否是非最小相位系统； (4)将标准型系统的非线性子系统作分解处理； (5)设被控系统控制器的一般形式为V= -Gx+Va其中，X为系统的状态，G为行增益向量，是为使被控系统内部零动态稳定而引入的非线性补偿项； (6)通过二次型最优控制理论确定待定参数G;通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数Vnlo
2.根据权利要求1所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，实际生产过程所选用的是利用CSTR生产环戊烯这一化工过程，建立非线性数学模型如下式所示:
3.根据权利要求2所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选取一个坐标变换
4.根据权利要求3所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，在标准型系统中，定义4~/(‘/?)为非线性系统的零动态，式O =被称为零动态方程，将零动态方程在其平衡点(Z(l，n0)通过二阶泰勒展开进行拆分处理，得到
5.根据权利要求3所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，控制器设为:
6.根据权利要求5所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，根据二次型最优控制理论确定待定参数G的步骤为: 给定二次型最优性能指标
7.根据权利要求5所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，运用Lyapunov稳定性理论求解待定参数Vfflj的步骤为: 构造如下李雅普诺夫函数:
8.根据权利要求1一 7中任意一项所述的非最小相位等温连续搅拌釜式反应器的控制器设计方法，其特征在于，控制器通过以DSP实现，DSP与CSTR的连接方式为:连续搅拌釜式反应器系统的输入物质A’的浓度和输出物质B’的浓度分别经2个浓度传感器接DSP控制器的输入端45A/D转换、运算、D/A转换后输出模拟量控制信号，再经4-20mA电流变送器转换为电动调节阀的输入控制信号，自动调节电动调节阀的开度以控制输入物质和输出物质的流 量。
【文档编号】G05B13/04GK103995469SQ201410238458
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王万成, 金晓孝, 张 杰, 施文 申请人:河海大学