CN111061312A - 催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法及其系统，通过给定的温度曲线及当前实际温度值计算最终控制量u，该方法具体包括步骤：S1、根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信号v₂；S2、所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器状态变量z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；S3、通过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计算得到最终控制量u。该系统包括：跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性组合器、扰动补偿器。本发明能够自动控制物料的温度，使温度跟随设定值均匀缓慢变化，从而减小相对于人工操作的超调，提高温度控制质量。

Description

催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法及系统

技术领域

本发明涉及生产过程自动控制领域，尤其涉及一种催化剂合成过程中 的温度自抗扰控制方法及温度自抗扰控制系统。

背景技术

聚烯烃颗粒催化剂，为含有Mg、Ti及二醇酯，适合于丙烯(共)聚合 的类球形催化剂，经过多年的试验证明，催化剂各项性能优异，具有许多 优点。

目前，聚烯烃催化剂已经实现了工业化应用，在间歇本体工艺、环管 工艺、三井釜式工艺、INNOVENE气相工艺和NOVOLEN气相工艺上进行了工 艺应用试验，成功地进行了包括拉丝料、抗冲共聚物等各种均聚及共聚牌 号的开发，产品力学性能优良，加工性能好。

聚烯烃催化剂制备的工艺原理是通过选择适当的溶剂或混合溶剂将氯 化镁溶解，通过控制氯化镁的再析出条件，结晶出形态良好的高活性载体， 进一步通过负载给电子体化合物1，3-二醇酯、载钛，最终形成聚烯烃催化 剂。这期间，催化剂溶液的温度经历了升温段—保温段—升温段三个阶段， 要求溶液的温度保持在设定温度的一定范围内。每个阶段的持续时间约几 个小时，被控对象的动态特性缓慢，需要选择合适的控制器。

国内企业的催化剂合成系统的滴加温度控制主要依靠操作工根据经验 手动调节，具有一定的不确定性，温度的超调比较大，难以保证催化剂合 成的质量，影响企业的生产效益。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显 而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种催化剂合成过程中的温度自 抗扰控制方法，通过给定的温度曲线及当前实际温度值计算最终控制量u， 具体包括步骤：

S1、根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信 号v₂；

S2、所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器 状态变量z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

S3、通过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计 算得到最终控制量u。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S1中：

其中，r₀为加速度，r为控制器增益。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中：

其中，c为阻尼因子、h为精度因子。

在本发明的一个实施例中，函数fhan(x₁,x₂,r,h)的求解过程为：

其中，r₀为加速度，r为控制器增益，c为阻尼因子、h为精度因子。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2、S3中，所述扩张状态观测器 状态变量为：

其中，y是实际温度值，h为精度因子，根据采样时间

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中，对扩张状态观测器不是配 置极点，而是配置非线性结构fal(x,a,δ)：

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3中：

在本发明的一个实施例中，通过VB语言实现所述步骤S1、S2、S3，通 过OPC技术与催化剂生产系统的DCS系统进行通信连接。

本发明还提供一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制器，包括：

跟踪微分器，用于根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡 过程的微分信号v₂；

扩张状态观测器，用于根据当前实际温度值、补偿因子b₀及上一次的 最终控制量u获取扩张状态观测器状态变量z₁、z₂、z₃；

非线性组合器，与所述跟踪微分器及扩张状态观测器相连，用于将所 述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器状态变量 z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

扰动补偿器，与所述非线性组合器、扩张状态观测器相连，用于通过 所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计算得到最终控 制量u。

在本发明的一个实施例中，所述温度自抗扰控制器包括OPC接口，用 于与催化剂生产系统的DCS系统进行通信连接。

本发明提供了一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法及温度自 抗扰控制器，使合成釜物料温度控制能够较好地跟踪设定值，实现合成釜 温度控制过程的自动控制。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的 特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实 现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而 不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法的流 程示意图。

图2为本发明实施例的催化剂合成过程中的温度自抗扰控制器的结构 示意图。

图3为本发明实施例的实际的温度曲线与设定值的关系示意图。

具体实施方式

自抗扰控制(ADRC)是一种新型的控制器设计方法，它具有较好的适 应工况变化的特点。自抗扰控制器不完全依赖于数学模型，是基于过程的 控制算法。它把被控对象的所有不确定因素都归结为未知扰动，能实时估 计并补偿系统在运行过程中受到的各种外扰以及系统本身决定的内扰的总 和作用的影响，结合特殊的非线性反馈结构能够实现良好的控制品质。ADRC 无需扰动的测量，也不需要对扰动通道建模，因而克服了内模控制的局限 性。由于ADRC不依赖于精确的对象模型,并具有抗干扰能力强、精度高、 响应速度快、结构简单等特点，因而应用前景广阔，在很多场合都有应用， 对于难以测得准确模型的大工业对象来说也适用。

目前国内外对催化剂合成滴加温度控制的研究成果较少，先进控制技 术没有应用到其中去。本发明提供了一种将自抗扰控制技术引入到催化剂 合成滴加温度控制中的新型控制方案，该方案能让催化剂合成过程的温度 控制得到优化，显著提高温度控制效果。

如图1所示，本发明提供一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方 法，通过给定的温度曲线及当前实际温度值计算最终控制量u，具体包括步 骤：

S1、根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信 号v₂；上述给定的温度曲线可以是某一时刻的温度。

经典PID(比例-积分-微)中，参考输入v(t)常常不可微，甚至不连续， 输入信号的量测常常被噪声污染，因此误差信号e(t)＝v(t)-y(t)按经典意义通 常不可微或其微分信号被噪声的导数淹没。经典PID中一般采用差分或超 前网络近似实现微分信号，这种方式对噪声放大作用很大，使微分信号失 真而不能使用。针对这种情况，设计非线性跟踪微分器，即输入一个信号 v(t)，给出两个输出v₁(t)和v₂(t)，其中v₁(t)跟踪微分信号，v₂(t)是v₁(t)的微分。 本实施例中，采用公式(1)计算上述过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信 号v₂；

其中，r₀为加速度，r为控制器增益。

S2、所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器 状态变量z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

本实施例中，采用公式(2)计算得到u₀；

其中，c为阻尼因子、h为精度因子。

在上述公式(1)和(2)中，函数fhan(x₁,x₂,r,h)的求解过程为：

其中，r₀为加速度，r为控制器增益，c为阻尼因子、h为精度因子。

S3、通过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计 算得到最终控制量u。

本实施例中，采用公式(3)计算得到最终控制量u：

在具体实施时，根据当前实际温度值y、补偿因子b₀及上一次的最终控 制量u获取扩张状态观测器状态变量z₁、z₂、z₃，更具体地，采用公式(4) 获取扩张状态观测器状态变量：

其中，y是实际温度值，h为精度因子，根据采样时间T_s，参数

此外，本实施例中，设计一个具有非线性输出误差校正结构的观测器 来估计系统的状态。对扩张状态观测器不是配置极点，而是配置非线性结 构fal(x,a,δ)，如公式(5)所示；数值仿真表明这种非线性观测器的跟踪能 力很强。

可见，需要测定的是物料的温度，控制量为夹套内热媒的温度，需要 整定的参数为加速度r₀、控制器增益r、阻尼因子c、精度因子h、补偿因子 b₀、以及状态观测器的三个参数β₀₁、β₀₂、β₀₃。其中加速度r₀是根据过渡过 程快慢和控制器需要选择的，状态观测器的三个参数β₀₁、β₀₂、β₀₃根据采 样时间有

控制器增益r大到一定程度就没有 影响了，因此实际只需要整定三个参数。其中

相当于PID控制中的比例增益，c相当于微分增益，b₀比较像积分增益，如此一来大大简化了自抗扰 控制器的整定难度。

在上述任一实施例的基础上，可以通过VB(Visual Basic)语言实现 所述步骤S1、S2、S3，通过OPC技术与催化剂生产系统的DCS系统进行通 信连接，读取现场传来的实时数据，并通过往DCS发送控制量来调控催化 剂合成的过程。此外，还可以将历史数据进行存储。

以合成釜为研究对象，通过阶跃测试得到系统的粗略辨识模型，使用 该模型进行控制器设计，并通过计算机仿真整定各个参数。最终使用Visual Basic编程，设计出一款专门的控制软件程序，通过OPC与DCS相连接，对 合成釜的物料温度进行控制。实际的温度曲线与设定值的关系如图3所示。 由图3可以看出，使用自抗扰控制可以很好地跟踪设定值的变化，最终得 到的温度曲线PV与给定的温度曲线SV贴合度高，能够实现合成釜温度的 自动控制。

本发明对催化剂合成过程引入自抗扰技术，能够针对工业对象难以建 立准确模型的特点进行控制，对抵抗扰动也效果较好。通过在某催化剂系 统上进行尝试，验证了自抗扰控制技术能实现较好的设定值跟踪，对缩短 稳定时间，减少温度超调都有较好的效果，为催化剂合成的自动控制提供 了可供选择的技术路线。

如图2所示，本发明提供一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制系 统，包括：跟踪微分器10、扩张状态观测器20、非线性组合器30、扰动补 偿器40；其中：

跟踪微分器10，用于根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和 过渡过程的微分信号v₂；采用公式(1)计算上述过渡过程信号v₁和过渡过 程的微分信号v₂；

其中，r₀为加速度，r为控制器增益。

扩张状态观测器20，用于根据当前实际温度值y、补偿因子b₀及上一 次的最终控制量u获取扩张状态观测器状态变量z₁、z₂、z₃；更具体地，采 用公式(4)获取扩张状态观测器状态变量：

其中，y是实际温度值，h为精度因子，根据采样时间T_s，参数

对扩张状态观测器不是配置极点，而是配置非线性结构fal(x,a,δ)，如 公式(5)所示；数值仿真表明这种非线性观测器的跟踪能力很强。

非线性组合器30，与所述跟踪微分器及扩张状态观测器相连，用于将 所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器状态变量 z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

具体地，采用公式(2)计算得到u₀；

扰动补偿器40，与所述非线性组合器、扩张状态观测器相连，用于通 过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计算得到最终 控制量u。

本身实施例中，采用公式(3)计算得到最终控制量u：

在上述公式(1)和(2)中，函数fhan(x₁,x₂,r,h)的求解过程为：

根据以上设计出的符合需要的自抗扰控制系统，需要测定的是物料的 温度，控制量为夹套内热媒的温度，需要整定的参数为加速度r₀、控制器增 益r、阻尼因子c、精度因子h、补偿因子b₀、以及状态观测器的三个参数β₀₁、 β₀₂、β₀₃。其中加速度r₀是根据过渡过程快慢和控制器需要选择的，状态观 测器的三个参数β₀₁、β₀₂、β₀₃根据采样时间有

控制器增益r大到一定程度就没有影响了，因此实际只需要整定三个参数。 其中

相当于PID控制中的比例增益，c相当于微分增益，b₀比较像积分增 益，如此一来大大简化了自抗扰控制器的整定难度。

上述温度自抗扰控制器还可以包括OPC接口，用于与催化剂生产系统 的DCS系统进行通信连接，读取现场传来的实时数据，并通过往DCS发送 控制量来调控催化剂合成的过程。此外，还可以将历史数据进行存储。

本发明公开了一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法及系统， 属于连续生产过程自动控制领域。针对工业对象过程慢、难以测准确的特 点，设计了自抗扰控制方法及系统，对控制器参数加以整定，使合成釜物 料温度控制能够较好地跟踪设定值，实现合成釜温度控制过程的自动控制。 实验结果表明，自抗扰控制在某催化剂系统上能够很好地发挥作用，跟踪 效果良好，能够自动控制物料的温度，使温度跟随设定值均匀缓慢变化，从而减小相对于人工操作的超调，提高温度控制质量。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本 发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一 个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。 以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围， 凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利 范围之内。

Claims (10)

1.一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，通过给定的温度曲线及当前实际温度值计算最终控制量u，具体包括步骤：

S1、根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信号v₂；

S2、所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器状态变量z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

S3、通过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计算得到最终控制量u。

2.根据权利要求1所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：

其中，r₀为加速度，r为控制器增益。

3.根据权利要求1所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：

其中，c为阻尼因子、h为精度因子。

4.根据权利要求2或3所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，函数fhan(x₁,x₂,r,h)的求解过程为：

其中，r₀为加速度，r为控制器增益，c为阻尼因子、h为精度因子。

5.根据权利要求1所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2、S3中，所述扩张状态观测器状态变量为：

其中，y是实际温度值，h为精度因子，根据采样时间

6.根据权利要求1或5所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，对扩张状态观测器配置非线性结构fal(x,a,δ)：

7.根据权利要求1所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S3中：

8.根据权利要求1所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制方法，其特征在于，通过VB语言实现所述步骤S1、S2、S3，通过OPC技术与催化剂生产系统的DCS系统进行通信连接。

9.一种催化剂合成过程中的温度自抗扰控制系统，其特征在于，包括：

跟踪微分器，用于根据所述给定的温度曲线得到过渡过程信号v₁和过渡过程的微分信号v₂；

扩张状态观测器，用于根据当前实际温度值、补偿因子b₀及上一次的最终控制量u获取扩张状态观测器状态变量z₁、z₂、z₃；

非线性组合器，与所述跟踪微分器及扩张状态观测器相连，用于将所述过渡过程信号v₁、过渡过程的微分信号v₂以及扩张状态观测器状态变量z₁、z₂经过非线性组合的变换得到控制信号u₀；

扰动补偿器，与所述非线性组合器、扩张状态观测器相连，用于通过所述控制信号u₀与扩张状态观测器状态变量z₃、补偿因子b₀计算得到最终控制量u。

10.根据权利要求9所述催化剂合成过程中的温度自抗扰控制系统，其特征在于，所述温度自抗扰控制器包括OPC接口，用于与催化剂生产系统的DCS系统进行通信连接。

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