一種多級攪拌反應(yīng)器的分布式控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動化技術(shù)，具體涉及一種多級攪拌反應(yīng)器的分布式控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 攪拌反應(yīng)器是用于使液體或氣體均勻混合的常用反應(yīng)裝置，被廣泛應(yīng)用于化工、 醫(yī)藥、發(fā)酵等化學(xué)合成過程。在連續(xù)生產(chǎn)過程中為提高反應(yīng)效率常采用多個級聯(lián)的攪拌反 應(yīng)器。這類多級化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性和時滯性，采用單一的集中式控制器很難 達(dá)到理想的控制效果。
[0003] 分布式控制指在一個生產(chǎn)過程中采用多個控制器對各個控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制 器之間通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)數(shù)據(jù)和操作指令。相比于傳統(tǒng)的集中式控制，分布式控制具有可靠、開 放、靈活、協(xié)調(diào)和易于維護(hù)等特點(diǎn)。在分布式控制系統(tǒng)中，各子控制器承擔(dān)的任務(wù)相對具體， 可以針對實(shí)際需求采用特定硬件和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而提升系統(tǒng)的控制效果。另一方 面，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展也為分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用提供了必 要的條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有集中式控制系統(tǒng)存在的不足，提出一種可靠、靈活、協(xié)調(diào)性強(qiáng) 的多級攪拌反應(yīng)器的分布式控制方法。
[0005] 所述分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中的被控對象是由多個攪拌反應(yīng)器級 聯(lián)而成的系統(tǒng)，分布式控制器包含多個子控制器，將每個反應(yīng)器作為一個控制點(diǎn)分別配置 一個子控制器加以監(jiān)測和控制，每個子控制器包涵傳感、計(jì)算和通信模塊，各子控制器通過 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和控制指令。
[0006] 所采用控制方法的實(shí)施步驟如下：
[0007] 1)建立多級攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)的描述模型，不失一般性，考慮由N個反應(yīng)器級聯(lián)而成 的系統(tǒng)，建立其描述模型如下：
[0008]
[0009] 如式（1)所示的離散狀態(tài)空間模型中，時間變量k表示第k個單位周期，下標(biāo)i和下 標(biāo)j用于表示反應(yīng)器集合或子控制器集合中的第i個或第j個元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第 i個反應(yīng)器的狀態(tài)向量，m是第i個分布式控制器輸出的控制信號，Vl是外界的擾動信號，函 數(shù)g()用于描述了每個反應(yīng)器的參數(shù)攝動，時延因子cU(k)具有上界cU和下界d 2。矩陣Au， Aij，Bi，Ei，W〇i，Wii是系統(tǒng)的系數(shù)矩陣。
[0010] 2)每個分布式控制器根據(jù)如式(2)所示的算法計(jì)算控制信號：
[0011]
[0012]其中k是待設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)矩陣，參數(shù)&1謙示分布式控制器之間的鄰接關(guān)系， 即，au = l表示子控制器i可以接收子控制器j的信息，反之，a^ = 0,參數(shù)aj(k)表示控制器j 的信息成功傳輸?shù)母怕剩?ι、α/(^ = α,^函數(shù)Qj〇表不子控制器j中量化器的量化規(guī)則：
[0013]
[0014] 上式中，變量τ表不量化器的輸入信號，參數(shù)
表不子控制器i中量化器 的誤差界，參數(shù)Ρ:是對應(yīng)量化器的量化密度，參數(shù)^是對應(yīng)量化器的量化級。
[0015] 3)根據(jù)如下算法設(shè)計(jì)控制器參數(shù):對于給定的系統(tǒng)（1)，通過求解式(4)和(5)計(jì)算 控制器參數(shù)K ij:
[0016]
[0017] PT = I (5)
[0018] 上式中，
：.?Ω2=[? 0 0 0 0]，Ω3=[Ω3?··· Ω3Ν],Ω4=[Αε 000 0],Ω5=[Ω5ι ··· Ω 5n] ,S = diag{Sn ,Ξ22, · · ·Ξ55} ,B = diag{Bi, · · ·, Βν},
，
是由步驟1)和步驟2)中所述系數(shù) 矩陣、參數(shù)和變量構(gòu)成的矩陣，它們的具體結(jié)構(gòu)和其中的元素定義如下：
[0019] - __




，對稱正 定矩陣P，T，Q和正標(biāo)量，&是式(4)和式(5)求解過程中定義的任意中間變量，I表示適當(dāng) 維數(shù)的單位矩陣，S()表示克羅內(nèi)克函數(shù)，函數(shù)diag{}表示以給定的元素構(gòu)建分塊對角矩 陣。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:所提控制方案可靠、靈活、協(xié)調(diào)性強(qiáng)且易于維護(hù)。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明所述分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明所述二級攪拌反應(yīng)器控制系統(tǒng)的示意圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明所述二級攪拌反應(yīng)器的控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為更直觀的說明本發(fā)明的方案和優(yōu)勢，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方 案作進(jìn)一步描述。
[0025] 考慮由兩個反應(yīng)器組成的系統(tǒng)，如圖2所示，反應(yīng)器1的輸入包含流速Fo,摩爾濃度 Cao,溫度To的原料以及來自反應(yīng)器2的流速為Fr，摩爾濃度為CA2,溫度為^的回收再利用的 反應(yīng)材料，反應(yīng)器2的輸入也包含原料及來自反應(yīng)器1的回收材料。
[0026] 該系統(tǒng)的動態(tài)特性如下：
[0027]
[0028] 上式中：
，
，
，分別為熱含量，指數(shù)系數(shù)常量和反應(yīng)的激活能，其中的系數(shù)i = 1，2，3，cdPp則分別是
熱容量和反應(yīng)中的流體密度，系統(tǒng)的具體參數(shù)由表1給出。
[0029] 表1二級攪拌反應(yīng)器的參數(shù)
[0032] 選取工作點(diǎn)
，對系統(tǒng)
[0030]
[0031] (6)進(jìn)行線性化，可得如下線性系統(tǒng)：
[0033]
(7)
[0034] 其中，系統(tǒng)的狀態(tài)向量
_，系統(tǒng)的輸入向量
。根據(jù)表1中的參數(shù)，計(jì)算可得式（7 )的參數(shù)矩陣
[0035] 選取采樣周期Ts = 0.0025h，將系統(tǒng)(7)離散化后可得：
[0036]
[0037] 上式中參數(shù)矩陣
，
〇
[0038] 給定參數(shù)豕& = 〇.7，01 = 〇.9，02 = 〇.7，根據(jù)步驟2)所述方法，求得控制器 參數(shù)為：
[0039]
=
[0040] 根據(jù)求得的控制器參數(shù)按式(2)生成控制信號對系統(tǒng)(8)進(jìn)行控制，控制效果如圖 3所示，其中xlcjPxlc2是反應(yīng)器1的狀態(tài)，x2cdPx2c 2是反應(yīng)器2的狀態(tài)，由圖3可知，本發(fā)明 所提的方法可以實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多級攪拌反應(yīng)器的分布式控制方法，針對由多個攪拌反應(yīng)器級聯(lián)而成的系統(tǒng)， 將每個反應(yīng)器作為一個控制點(diǎn)分別配置一個子控制器加以監(jiān)測和控制，每個子控制器包涵 傳感、計(jì)算和通信模塊，各子控制器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和控制指令，其特征在于該方法在實(shí) 施過程中包括以下技術(shù)步驟： 1) 建立多級攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)的描述模型，不失一般性，考慮由N個反應(yīng)器級聯(lián)而成的系 統(tǒng)，建立其描述模型如下：如式（1)所示的離散狀態(tài)空間模型中，時間變量k表示第k個單位周期，下標(biāo)i和下標(biāo)j用 于表示反應(yīng)器集合或子控制器集合中的第i或第j個元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第i個反應(yīng) 器的狀態(tài)向量，m是第i個分布式控制器輸出的控制信號，V1是外界的擾動信號，函數(shù)g()用 于描述了每個反應(yīng)器的參數(shù)攝動，時延因子di(k)具有上界di和下界d2。矩陣Aii，Aij，Bi，Ei， W 0i，Wu是系統(tǒng)的系數(shù)矩陣； 2) 每個分布式控制器根據(jù)如式(2)所示的算法計(jì)算控制信號：其中Klj是待設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)矩陣，參數(shù)表示分布式控制器之間的鄰接關(guān)系，即， aiJ = l表示子控制器i可以接收子控制器j的信息，反之，出產(chǎn)0,參數(shù)aj(k)表示控制器j的信 息成功傳輸?shù)母怕剩瘮?shù)表示子控制器j中量化器的量化規(guī)則：上式中，變量τ表不量化器的輸入信號，參數(shù)表不子控制器i中量化器的誤差 界，參數(shù)Pi是對應(yīng)量化器的量化密度，參數(shù)Kj是對應(yīng)量化器的量化級； 3) 根據(jù)如下算法設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，對于給定的系統(tǒng)（1)，通過求解式(4)和(5)計(jì)算控制 器參數(shù)Kij:是由步驟1)和步驟2)中所述系數(shù)矩陣、參數(shù)和變量構(gòu)成的 矩陣，它們的具體結(jié)構(gòu)和其中的元素定義如下：對稱正定矩陣P，T，Q和 正標(biāo)量ε A1A2是式(4)和式(5)求解過程中定義的任意中間變量，I表示適當(dāng)維數(shù)的單位矩 陣，S()表示克羅內(nèi)克函數(shù)，函數(shù)diag{ }表示以給定的元素構(gòu)建分塊對角矩陣。
【專利摘要】一種多級攪拌反應(yīng)器的分布式控制方法，針對由多個攪拌反應(yīng)器級聯(lián)而成的系統(tǒng)，將每個反應(yīng)器作為一個控制點(diǎn)分別配置一個子控制器加以監(jiān)測和控制，每個子控制器包涵傳感、計(jì)算和通信模塊，各子控制器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和控制指令，包括以下技術(shù)步驟：1)建立多級攪拌反應(yīng)器的描述模型；2)計(jì)算分布式控制器的參數(shù)；3)按規(guī)則配置分布式控制器，生成控制信號，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。所述分布式控制方法具有可靠、靈活、協(xié)調(diào)性強(qiáng)和易于維護(hù)等特點(diǎn)。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105487380
【申請?zhí)枴緾N201511008202
【發(fā)明人】馮宇, 凌榮耀, 張丹, 張文安, 黃延昱
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月29日