串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTR...
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串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTRs系统运行过程中受到外部扰动,导致系统的反应温度、浓度振荡幅度过大或者稳定范围过小,将会降低CCSTRs控制系统的稳定性,甚至会出现系统失控的风险,而传统的控制技术诸如PID(或改进PID)技术难以实现良好的动静态控制性能。因此,有必要为CCSTRs系统设计一种新的实用性强、高效的控制器,从而为企业提高生产效率、提升经济效益提供技术支持。此外,随着科学技术的日渐完善,数字计算机行业迅速发展,而离散控制方法凭借其稳定性好、可实现强等优势在数字计算机领域得到了广泛应用,因为与连续控制方法相比,离散控制通过引入采样的方式更易于描述实际问题,更贴近于实际工程应用。因此,本文针对考虑输入饱和约束的CCSTRs系统,借助模糊自适应反步命令滤波控制技术,基于实际不同的应用场景,分别设计了CCSTRs离散控制器,实现了CCSTRs系统的反应物浓度、温度的跟踪控制。主要研究成果如下:(1)本文以CCSTRs为控制对象,设计了考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器。利用输入饱和函数将输入信号限制在一定的范围内,提高了系统的控制性能,降低了可实现成本,更贴近于实际应用;借助模糊自适应控制方法和反步法处理系统中存在的非线性项,简化了控制器的设计过程,缩减了系统运行过程中的计算量;结合命令滤波技术和误差补偿机制,规避了虚拟控制函数复杂求差分过程,克服了“因果矛盾”问题,减小乃至消除了静态偏差,提高了系统的控制精度。通过仿真结果验证了本文所提出的控制策略具有更好的控制性能。(2)本文进一步考虑由于系统反应过程中受到各种环境因素的影响诸如外部噪声干扰或湿度等因素导致传感器性能降低和因成本限制温度、浓度传感器无法正常安装等情况,设计了基于观测器并考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器,通过自适应观测器来实时监测产物和反应物温度、浓度的动静态过程,节约了实现成本,更易于在工程中实现。仿真结果表明了所提出的控制器的优越性。(3)本文同时考虑CCSTRs离散系统中存在的自适应律以及实际控制律频繁更新现象,提出了一种考虑输入饱和的命令滤波事件触发控制新策略。通过在传感器与控制器之间引入事件触发机制,设定触发条件来判断控制信号是否需要更新,从而降低了触发次数,避免了多余信号的传输,减少了控制器的更新频率,降低了计算量,提高了资源的利用率。通过进一步仿真验证了该控制策略是有效可行的,具有一定的实用价值。
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