CN110989726B - 一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进型自抗扰技术的控制系统，它主要包括输入模块，改进型自抗扰控制器ADRC，执行模块。所述输入模块包括流量数据采集模块，控制对象，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器，扩张观测器、非线性状态误差反馈控制器，所述输出模块包括冷水阀门。本发明对跟踪微分器，扩张观测器和自抗扰控制结构做改进，其技术效果为：改进后的控制器和控制结构不受迭代次数影响，降低对参数精确要求，运用到复杂工艺流程中，自抗扰时间增长，鲁棒性更强，与传统的ADRC相比，改进型自抗扰控制器适用性更广阔。自抗扰效果明显好于具有抗干扰作用的Smith预估补偿器。

Description

一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统
技术领域
1 本发明涉及自抗扰技术，具体是一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统。
背景技术
2 自抗扰控制(ADRC)的概念是中科院韩京清先生等人提出的一种新型的控制方法，由于它具有算法简单，收敛速度快，超调小，抗干扰性能强等优，提出后迅速得到了广泛的应用，但是在运用的过程中也发现，ADRC方法在某些方面还存在不足，因此有一定的提升的空间，在对自抗扰控制器的改进中，控制策略，跟踪微分器和扩张状态观测器的改进有直接效果。
3 反应器是保证化学工业生产的重要设备之一，它温度和压强的稳定对工业生产高产量高浓度的产品发挥关键性的作用。考虑安全性和经济性要求，随着理论与技术的发展，模糊控制PID、神经网络PID、计算机控制等智能控制方法也逐渐加入使用，但是在过程中仍然存在一些问题，如混合遗传算法，模型分解预测控制、神经网络内模控制算法、反馈线性化方法、联姻遗传算法等。但这些方法都需要获知系统的精确数学模型，而机理建模方法涉及物料平衡、能量守恒和化学反应过程等一系列问题，实际中很难获得到具体模型；
发明内容
4 本发明的目的是一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，改基于改进的自抗扰技术控制系统的温度调节方法，能够不受迭代次数影响，降低对参数精确度高的要求，实现长时间自抗扰，能明显改善化工生产的动态性能和稳定性能，实现快速安全的温度调节目标。
5 本发明实现发明目的采用如下技术方案：
6 本发明的目的是一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，，包括输入模块，改进型自抗扰控制器ADRC，和执行模块，所述输入模块包括数据采集模块，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈控制器NLSEF，对控制器策略中的微分器，观测器和控制策略做改进，所述执行模块为冷水进量阀门。
7 作为优选，本发明提供本发明的目的是一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，使用数据采集模块传感器采集信号；
8 作为优选，本发明提供本发明的目的是一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，控制方法的具体实现包括以下步骤：
9 (1)给定温度信号进入跟踪微分器，输出跟踪信号和微分信号，与反馈量的跟踪信号和微分信号比较，得到差值；
10 (2)给定温度信号进入扩张状态观测器，扩张状态观测器用来估计被控对象的状态，对反应器温度调节系统的内外扰动进行补偿，将扩张出来的状态变量用来估计未知扰动和系统为建模部分，将控制对象变为积分串联型。
11 (3)非线性误差反馈控制器将由跟踪微分器和扩张状态观测器得到的差值信号通过非线性组合，作为温度调节系统的控制信号。
12 作为优选，本发明提供的一种改进型二阶自抗扰控制策略，对控制器算法中的跟踪微分器函数进行改进，使得函数跟踪特性增强，改进后的函数为：
Figure BDA0002333287400000021
Figure BDA0002333287400000022
式中：x0是系统设定值，x1是输出的跟踪信号，x2是输出的微分信号，d与系统的采样步长有关，r是系统参数，它的大小决定了跟踪速度的快慢，r越大，过渡时间越短，跟踪速度越快，但是取值过大会造成系统高频振荡。v使输入信号，n是设定值，设定值在一定范围内可任意取，设定值的使用减弱了迭代限制自抗扰时长的影响。
13 作为优选，本发明提供一种改进型二阶自抗扰控制器，对控制算法中得扩张状态观测器函数进行改进，改进后的函数为：
Figure BDA0002333287400000031
Figure BDA0002333287400000032
14 作为优选，本发明提供一种种改进型二阶自抗扰控制器，具体算法为：
15 非线性误差状态反馈函数的状态方程为：
Figure BDA0002333287400000033
合理选择非线性参数α1，α2，δ以及参数kp,kd来实现对“积分串联型对象”的非线性控制，kp,kd,b为可调参数。
16 有益效果：
17 本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：本发明提供一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，对控制结构和控制算法中的函数做出改进，实验结果表明，改进后的自抗扰控制抑制震荡的效果显著，抑制信号波动明显。
与传统ADRC控制方法相比，使用改进后的跟踪微分器和扩张状态观测器避免了迭代的影响，自抗扰时间变长，降低kp,kd精确值要求，能更快的使反应器温度达到期望状态，在动态性能、稳态性能和抗干扰性能方面，改进后的ADRC算法都得到了明显的改善，既实现了抗干扰时长无限，降低对参数的要求，也解决了震荡信号对反应器设备的损伤。
附图说明
图1是本发明实例提出的一种改进型自抗扰技术的系统结构示意图，
图2是本发明实例使用的工艺文件图，
图3是本发明实例改进前自抗扰实验效果图，
图4是本发明实例Smith PID预估补偿系统实验效果图，
图5是本发明实例改进后自抗扰实验效果图，
图6是本发明实例实验使用的工艺设备图，
图7是本发明程序编写生成的具体CFC模块
图8是本发明程序编写生成的CFC模块连接图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
如图1所示为改进型自抗扰技术系统结构示意图，其特征在于：它主要包括跟踪微分器模块、扩张观测器模块、非线性控制器模块和乘法模块。
所述跟踪微分器模块接收输入信号v，迅速精确的跟踪系统信号，产生相应微分信号，改善过渡过程，均衡响应速度与系统超调。
所述扩张张状态观测器ESO，其特征在于：两输入和三输出，它的输入是系统输入v和控制量u，输出为z1、z2、z3，其中z1、z2是被控对象状态变量的估计值，z3是模型内部扰动和外部扰动的总估计值。
所述非线性状态误差反馈控制器NLSEF，其特征在于：三输入，一个输出。由TD产生的跟踪信号x1和微分信号x2与ESO产生的状态估计量z1、z2形成的两个误差量e1、e2，作为非线性状态误差控制器的两输入，ESO产生的状态估计量z3与乘法器模块的值相乘得到控制器的第三个输入量，控制器输出量为阀门的开度。
所述乘法器模块，其特征在于：与ESO产生的估计量z3相乘得到的值作为控制器的第三个输入量。
所述扩张张状态观测器ESO，其特征在于：两输入和三输出，它的输入是系统输入v和控制量u，输出为z1、z2、z3，其中z1、z2是被控对象状态变量的估计值，z3是模型内部扰动和外部扰动的总估计值。
所述改进自抗扰控制器，对微分器和扩张状态观测器和控制策略改进，如图3，所示为改进前自抗扰实验效果图，图5，所示为改进后自抗扰实验效果图。
所述改进自抗扰控制器，对微分器和扩张状态观测器和控制策略改进，如图3，所示为改进前自抗扰实验效果图，图5，所示为改进后自抗扰实验效果图。
改进后的跟踪微分器函数定义为：
Figure BDA0002333287400000051
Figure BDA0002333287400000052
式中：x0是系统设定值，x1是输出的跟踪信号，x2是输出的微分信号，d与系统的采样步长有r是系统参数，它的大小决定了跟踪速度的快慢，r越大，过渡时间越短，跟踪速度越快，但是取值过大会造成系统高频振荡。v使输入信号，n是设定值，设定值在一定范围内可任意取，设定值的使用减弱了迭代限制自抗扰时长的影响。
改进后的扩张状态器函数定义为：
Figure BDA0002333287400000053
Figure BDA0002333287400000061
式中的m式根据工程文件中对象要求，所确定的设定值，是一常数。v≠z1，式中：β1，β2，β3为状态观测器的三个增益，是可以调节的参数，式中：b是控制量u的补偿因子。
如图3为改进自抗扰控制器反应器温度TI1103稳定在118.077和压强PI1102稳定在135.225，最大变化范围分别是0.5和0.2。稳定不变化从1400s后持续。产量浓度AI1101稳定在86.
如图5，原自抗扰控制抗干扰受时间限制，由自抗扰原理观测器的迭代可知，本次设置迭代次数为1000，设置的迭代次数不同，自抗扰时间也就不一样。图5的趋势图受自抗扰迭代次数限制影响。迭代次数结束后，反应器失去抗干扰功能，且整个的生产最终趋于停产。改进的自抗扰几乎不受Kp,Ki大小影响，原自抗扰对Kp.Ki要求很高。给并且抑制震荡效果显著。在实际工业中，改进的自抗扰更显得经济实用。
所述改进自抗扰控制器实验效果图为图3，图4所示为Smith预估补偿PID抗干扰实验效果图。
如图4，Smith预估补偿PID抗干扰实验效果图，TI1103温度一直处于波动状态，最大值102.483，最小值92.083,波动幅度约为10。PI1102亦处于波动状态，最大值129.984，最小值126.539，波动幅度约为4.5。图3改进自抗扰控制器实验图与图4Simth预估补偿抗扰性能不及改进的自抗扰对比，并且反应器的稳定程度影响闪蒸罐和储罐的液位，压强，温度，产品流量AI1101的稳定。自抗扰产生的AI1101产量流量浓度86比Smith的82高，产品出口流量速度也更稳定。
如图2所示为工艺文件图，其特征在于：它主要包括储罐，反应器，蒸发器，冷凝罐，冷凝器和夹套加热管线等。储罐作用存储两种按比例混合的物料，然后进入反应器，物料在反应器中反应，在反应过程中物料需加热或冷却时，反应器壁处设置夹套蒸汽加热管线加热，凝结水管阀门通冷水降低反应温度。当反应器温度过高，无法控制，通入抑制剂，抑制反应。闪蒸罐的作用是为反应器粗来的流体迅速汽化和汽液分离提供空间。冷凝器起到把蒸汽冷凝为液体的作用，在本次工艺流程中，闪蒸罐顶部采出的气相混合物，进入冷凝器与冷却水进行换热冷凝。
如图6所示为工艺设备图，其特征在于：包括SMPT-100和上位机。其中SMPT-1000,包括DCS、PLC和IPC,上位机由PC机和软件PCS7组成。
如图7所示为本发明算法用scl语言程序编写生成的具体CFC模块，具体为跟踪微分器模块Evant,扩张观测器模块ESO，非线性误差反馈控制器。
如图8，图8是本发明算法用scl语言程序编写生成的CFC模块连接图，连接结构与改进后的自抗扰控制系统对应。
以上所述为本发明较佳实例而以，对于本领域技术人员而言显然本发明不限于上述示范性实施例的细节。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种应用于化工生产的改进型自抗扰技术温度控制系统，其特征在于：包括工业背景，控制对象，执行器和改进型自抗扰控制器ADRC，所述工业背景包括储罐、反应器、蒸发罐、和冷凝器，控制对象包括反应器，所述执行器包括冷水阀门，所述改进型自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF，对控制器中的跟踪微分器，扩张状态观测器和控制策略进行改进；给定温度信号进入跟踪微分器，输出跟踪信号和微分信号，与扩张状态观测器对给定温度信号的估计值比较，得到差值；同时给定温度信号进入扩张状态观测器，扩张状态观测器用来估计被控对象的状态，对反应器温度的内外扰动进行补偿，将扩张出来的状态变量用来估计未知扰动，将控制对象变为积分串联型；非线性误差反馈控制器将由跟踪微分器和扩张状态观测器得到的差值信号通过非线性组合，作为反应器系统温度调节的控制信号；
改进后的跟踪微分器函数为：
Figure FDA0003331104430000011
式中，x1为输出的跟踪信号，x2为输出的微分信号，υ为输入信号，h为采样周期；速度因子r决定跟踪的快慢；滤波因子h0在有噪声时决定滤波效果；fst(x1,x2,r,h)为最速控制综合函数，描述如下：
Figure FDA0003331104430000012
式中为v输入信号，n是设定值，sign(.)是符号函数，d与系统的采样步长有关， r是系统参数；
改进后的扩张观测器函数为：
Figure FDA0003331104430000013
Figure FDA0003331104430000021
式中的m根据工程文件中对象要求，所确定的设定值，是一常数，ν是测量值，v≠z1，α1，α2，δ均为非线性参数，α与α1，α2意义相同，式中：扩张状态观测器β1，β2，β3为三个增益，是需要调节的参数；b是控制量u的补偿因子；z1、z2是被控对象状态变量的估计值，z3是模型内部扰动和外部扰动的总估计值；
算法中的非线性状态误差反馈控制器，状态方程为：
Figure FDA0003331104430000022
其中，e1＝x1(k)-z1(k)及误差微分信号e2＝x2(k)-z2(k)，而生成误差积分信号对扰动进行补偿得到控制量，这些状态变量误差经过非线性反馈控制律运算；e1，e2和u(k)是安排过渡过程的系统输出u的估计；式中α1，α2，δ以及参数kp,kd来实现对“积分串联型对象”的非线性控制，kp,kd,b为可调参数。
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