CN104793496B - 二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统，集成了数据输入模块、系统辨识模块、解耦控制模块和控制器输出模块。系统包括：数据输入模块，用于收集被控对象的数据以备辨识使用；系统辨识模块，用于根据数据输入模块提供的输入和输出数据，辨识出二输入二输出聚合反应器的传递函数模型；解耦控制模块，根据辨识模块辨识出的传递函数，采用主对角线和副对角线控制器分步设计的方法进而得出完整的集中式控制器；控制器输出模块，用于将解耦控制模块中针对二输入二输出聚合反应器设计的集中式控制器输出。本系统结构简单，设计过程简便，便于控制工程师理解和应用，明显改善二输入二输出聚合反应器的控制性能和控制器的耐用性。

Description

二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统

技术领域

本发明涉及过程控制的多变量系统自动控制技术领域，具体涉及一种针对二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统。

背景技术

随着石油化工工业的蓬勃发展，石油化工为化学工业所提供的丰富原料，绝大部分用来生产聚合物。聚合反应是由单体合成聚合物的反应过程。20世纪40年代以来，聚合物生产发展迅速，聚合反应的过程控制问题也越来越引起人们的重视。完成聚合反应过程的设备称为聚合反应器，如图1所示的聚合反应器模型是一种常见的聚合反应设备。聚合反应各控制变量之间耦合严重，控制难度较大，虽然近年来许多多变量系统解耦控制方法被提出，但大多集中式控制器设计过程复杂，计算过程对理论水平要求较高，不易于生产过程现场控制工程师的理解和使用，造成许多多变量系统控制方法只限于理论研究，脱离实际工程应用。

发明内容

有鉴于此，本发明设计了一种针对二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统，简化了多变量化工反应过程控制系统设计方法，方便现场工程师的应用。

根据本发明的一种实施方式，二输入二输出聚合反应器解耦控制系统，包括：

数据输入模块，用于收集被控对象的数据以备辨识使用；

系统辨识模块，用于根据所需辨识的二输入二输出聚合反应器的输入和输出数据，辨识出聚合反应器的传递函数；

解耦控制模块，根据辨识单元辨识出的传递函数，采用分步法设计出集中式控制器；

控制器输出模块，用于将解耦控制模块中针对二输入二输出聚合反应器设计的集中式控制器输出。

一种二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统，其特征在于，包括：

数据输入模块，用于采集和存储辨识二输入二输出聚合反应器所需的输入和输出数据；

系统辨识模块，用于根据数据输入模块提供的输入和输出数据，辨识出二输入二输出聚合反应器的传递函数模型；

解耦控制模块，用于根据辨识模块辨识出的传递函数，设计出控制聚合反应器所需的集中式控制器的控制参数；

控制器输出模块，用于将解耦控制模块中所设计的集中式控制器输出。

进一步，所述解耦控制系统目标对象为二输入二输出聚合反应器，

其模型为2输入2输出的模型，所述聚合反应器模型的传递函数为：

其中，为G(s)第j个输入对第i个输出的传递函数，k_pij为比例放大系数，T_ij为一阶惯性时间常数，L_ij为第j个输入对第i个输出的滞后

时间，i＝1,2，j＝1,2，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述解耦控制模块所设计控制器为集中式控制器形式

且集中式控制器采用主对角线控制器和副对角线控制器分步设计方法，即针对二输入二输出聚合反应器模型，首先计算其单回路等效模型，根据所述等效模型设计集中式控制器中的主对角线控制器G_c11和G_c22，然后依据得到的主对角线控制器和二输入二输出聚合反应器模型，得出集中式控制器中的副对角线控制器G_c12和G_c21，从而得到完整的集中式控制器。

进一步，所述解耦控制模块所含集中式控制器：主对角线控制器为针对二输入二输出聚合反应器等效模型设计的PI控制器其中i＝1,2，G_c11(s),G_c22(s)为主对角线控制器，K₁₁,K₂₂分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的比例控制系数，T_p11,T_p22分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的积分时间常数；副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)形式为PID控制器串联一阶滞后——超前滤波器的形式其中i＝1,2,j＝1,2且i≠j，K₁₂,K₂₁分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的比例控制系数，T_p12,T_p21分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的积分时间常数，T_d12,T_d21分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的微分时间常数，T_lead12,T_lag12,T_lead21,T_lag21为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的滤波器常数，且其控制参数由二输入二输出聚合反应器模型参数和主对角线控制器参数完全确定。

所辨识的二输入二输出聚合反应器的传递函数模型为

其中，k_pij为比例放大系数，T_ij为一阶惯性时间常数，L_ij为第j个输入对第i个输出的的滞后时间，i＝1,2，j＝1,2。

其回路等效模型为

所需集中式控制器形式为

将所得等效模型降阶为常规的一阶加纯滞后形式，根据降阶后所得的等效模型设计集中式控制器中的主对角线PI控制器其中i＝1,2，G_c11(s),G_c22(s)为主对角线控制器，K₁₁,K₂₂分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的比例控制系数，T_p11,T_p22分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的积分时间常数；依据原始的传递函数模型G(s)和主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)，得到副对角线控制器结果如下：

从而得到完整的集中式控制器。

本发明所具备的其他特征和效果将在下面的说明中进一步详细阐述。本发明的目的和其他优点通过说明书，权利要求书以及附图中指出的结构来实现和获得。

下面通过附图结合具体实施方案对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是二输入二输出聚合反应器模型；

图2是二输入二输出聚合反应器控制系统方块图；

图3是二输入二输出聚合反应器解耦控制系统的结构示意图；

图4是等效模型降阶前后Nyquist曲线比较；

图5是二输入二输出聚合反应器设定值跟踪响应；

图6是二输入二输出聚合反应器回路控制器输出变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。说明书仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统。该解耦控制系统包括数据输入模块，辨识模块，解耦控制模块和控制器输出模块。数据输入模块，用于采集和存储辨识二输入二输出聚合反应器所需的输入和输出数据；系统辨识模块，用于根据数据输入模块提供的输入和输出数据，辨识出二输入二输出聚合反应器的传递函数模型；解耦控制模块，用于根据辨识模块辨识出的传递函数，设计出控制聚合反应器所需的集中式控制器的控制参数；控制器输出模块，用于将解耦控制模块中所设计的集中式控制器输出。本发明中解耦控制部分采用分步法设计，将集中式控制器的主对角线和副对角线控制器分开设计，简化设计过程，方便工业现场应用与控制工程师理解，具有较强的实际应用价值。其中，二输入二输出聚合反应器模型如图1所示。

为对本发明的技术方案进行更好的说明，以下是对本发明中所设计的涉及的基本理论的介绍。

1、本发明中辨识模块中所用辨识方法采用卡尔曼滤波(Kalman filtering)方法。二十世纪五十年代初，斯坦利施密特(Stanley Schmidt)首次实现了卡尔曼滤波器，后来阿波罗飞船的导航电脑使用了这种滤波器，用于解决阿波罗计划的轨道预测问题。卡尔曼滤波(Kalman filtering)一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于输入输出观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以辨识过程对传递函数参数的最优估计也可看做是滤波过程。将卡尔曼滤波法应用于系统辨识具有很多优点，如能得到参数的最小方差估计，递推充分多的步数，参数及方差阵的估计不依赖于它们的初值，且具有良好的稳定性。

卡尔曼滤波已经有很多不同的实现，卡尔曼最初提出的形式一般称为简单卡尔曼滤波器。除此以外，还有施密特扩展滤波器、信息滤波器以及很多Bierman,Thornton开发的平方根滤波器的变种。最常见的卡尔曼滤波器是锁相环，它在收音机、计算机和几乎任何视频或通讯设备中广泛存在。

2、本发明中解耦控制模块等效模型的降阶过程采用一种随机数直接搜索的优化(NLJ)方法来求取所需的一阶加纯滞后等效模型的参数。NLJ优化算法是潘立登等在LJ算法(由Luus与Jaackola提出)的基础上提出的一种新的LJ方法，是完全基于随机搜索的优化方法。它通过在搜索区间内采用随机搜索的方法获取区间次优值，然后在次优值的基础上自适应的改变搜索区间进行进一步的随机搜索，最终达到最优结果的优化方法。它采用变收缩系数的方法加速缩小搜索区间，因此可以改善LJ算法在控制系统应用中存在的计算时间长、收敛速度慢，不利于在线调优的缺点，显著提高了收敛速度，节约了大量计算时间。从理论上分析，只要搜索范围和搜索密度足够大，对任何具有确定的性能指标的优化问题，都能在相对确定的时间内得到较好的近似最优解。NLJ法简单方便，能有效的解决各类复杂问题。它不仅适用于线性系统，可直接求解非线性方程，也可用来辨识连续系统或离散系统的模型参数，且不需要很多数学基础。

3、本发明中主对角线控制器设计采用Astrom K J等人2002年提出的AMIGO(Approximated Ms-constrained Integral Gain Optimization)方法。AMIGO方法是一种有效的PID控制器设计方法。此设计方法的思想是在保持PID一定的鲁棒性的前提下，寻找最优化的参数配置。Shinskey最早提出了以灵敏度作为限制条件的抗负载扰动最优化的设计思想，其优化限制条件是围绕临界点的一个矩形。Persson提出了以最大灵敏度(Ms)和补偿最大灵敏度(Mp)一起作为设计参数。Astrom等对以灵敏度作为限制条件的方法进行了分析，提出了确定设定值加权系统的方法，并提出了以积分误差(IE,integrated error)作为优化指标的MIGO的方法，并给出了PI控制器的简单设计过程。AMIGO整定方法是基于MIGO方法并通过大量典型过程仿真得到的整定公式，方法简单，便于工程实施，具体方法详见文献Revisiting the Ziegler-Nichols tuning rules for PI control(Asian Journal ofControl,Vol.6,No.4,pp.469-482,December 2004).

以下是通过具体实例对本发明进行说明

以耦合多变量系统解耦控制的研究中经典的聚合反应器二输入二输出传递函数模型为例来说明。

该模型是I-Lung Chien等人于1999年提出的一个工业级聚合反应器模型，其控制变量为待反应物料的入口流量，被控变量选取两个最能表征聚合反应质量的性能指标。聚合反应中，待反应物料的入口流量对聚合反应产物质量的影响至关重要，反应过程具有强耦合，大滞后等特点。

首先，系统辨识模块根据数据输入模块提供的所需辨识的二输入二输出聚合反应器的输入输出数据，采用卡尔曼滤波方法辨识出聚合反应器的传递函数表达式如下：

根据上述发明方法，首先计算等效模型并将所得等效模型降阶为一阶加纯滞后形式，结果如下：

降阶过程的频域拟合曲线如图4所示，由图可知，降阶后的模型在频域范围内可以很好的拟合原等效模型的特性，所得一阶加纯滞后模型可以很好的代替原等效模型作为设计主对角线控制器的依据。

其次，对所得到的一阶加纯滞后等效模型，采用AMIGO方法进行主对角线PI控制器设计，所得主对角线控制器为：

根据上述说明方法计算副对角线控制器，结果如下：

从而得到完整的集中式控制器结果如下：

由计算过程可以看出，本发明所述解耦控制方法计算过程简便，易于理解，方便工程实施。

将本发明所设计的解耦控制器实际应用在二输入二输出聚合反应器上，实验过程中，在t＝0和t＝50时分别在两种反应物进料流量的设定值处加入阶跃为1的扰动，图5为被控变量输出的响应曲线，图6为两条控制回路的控制输出曲线，由图可见，本发明所提出的解耦控制方法有效可行，对设定值变化能够实现快速跟踪，具有超调小的优点，而且控制器输出幅值保持在较小的范围内，可以有效提高控制器的耐用性，提高生产效率和经济效益。

Claims (2)

1.一种二输入二输出聚合反应器的解耦控制系统，其特征在于，包括：

数据输入模块，用于采集和存储辨识二输入二输出聚合反应器所需的输入和输出数据；

系统辨识模块，用于根据数据输入模块提供的输入和输出数据，辨识出二输入二输出聚合反应器的传递函数模型；

解耦控制模块，用于根据辨识模块辨识出的传递函数，设计出控制聚合反应器所需的集中式控制器的控制参数；

控制器输出模块，用于将解耦控制模块中所设计的集中式控制器输出；

所述解耦控制系统目标对象为二输入二输出聚合反应器，其模型为2输入2输出的模型，所述聚合反应器模型的传递函数为：

$G\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{G}_{11}\left(s\right)& G_{12}\left(s\right)\\ G_{21}\left(s\right)& G_{22}\left(s\right)\end{array}\right]$

其中，为G(s)第j个输入对第i个输出的传递函数，k_pij为比例放大系数，T_ij为一阶惯性时间常数，L_ij为第j个输入对第i个输出的滞后时间，i＝1,2，j＝1,2，s为拉普拉斯算子；

所述解耦控制模块所设计控制器为集中式控制器形式

且集中式控制器采用主对角线控制器和副对角线控制器分步设计方法，即针对二输入二输出聚合反应器模型，首先计算其单回路等效模型，根据所述等效模型设计集中式控制器中的主对角线控制器G_c11和G_c22，然后依据得到的主对角线控制器和二输入二输出聚合反应器模型，得出集中式控制器中的副对角线控制器G_c12和G_c21，从而得到完整的集中式控制器。

2.如权利要求1所述的解耦控制系统，其特征在于，所述解耦控制模块所含集中式控制器：主对角线控制器为针对二输入二输出聚合反应器等效模型设计的PI控制器其中i＝1,2，G_c11(s),G_c22(s)为主对角线控制器，K₁₁,K₂₂分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的比例控制系数，T_p11,T_p22分别为主对角线控制器G_c11(s),G_c22(s)的积分时间常数；副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)形式为PID控制器串联一阶滞后——超前滤波器的形式其中i＝1,2,j＝1,2且i≠j，K₁₂,K₂₁分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的比例控制系数，T_p12,T_p21分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的积分时间常数，T_d12,T_d21分别为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的微分时间常数，T_lead12,T_lag12,T_lead21,T_lag21为副对角线控制器G_c12(s),G_c21(s)的滤波器常数，且其控制参数由二输入二输出聚合反应器模型参数和主对角线控制器参数完全确定。