非线性CSTR系统的控制方法研究
发布时间：2020-11-08 20:48
连续搅拌反应釜(Continuously Stirred Tank Reactor,CSTR)是化工生产中一种常见的反应容器,在化工领域有着广泛的使用,其控制系统的稳定性和性能至关重要。CSTR系统具有一些较难攻克的难点,其系统自身具有很强的时滞特性与非线性,导致其控制系统大都算法复杂且鲁棒性、实时性相对来说较差。滑模变结构控制方法(Sliding Mode Control,SMC)作为一种常见的控制方法,已经广泛应用在实际的工业生产控制过程中,目前由于SMC普遍存在对系统模型依赖度高、计算复杂、抖振问题等难以解决的难点,越来越多的学者和专家对其进行改进和完善,以期达到性能更好的控制效果。本文在传统的SMC方法中加入了基于传递函数恢复法(Loop Transfer Recovery,LTR)的观测器的设计与改进,针对非线性系统CSTR进行控.制系统设计。在此研究背景下,本课题完成以下几方面的工作:首先,针对本文选中的非线性系统研究对象CSTR温度控制系统,阐述了系统的具体构造和基本工作原理,并建立连续搅拌反应釜系统的非线性数学模型。为了方便运算与处理,本文从机理模型推导出了系统无量纲化后的模型,通过Simulink仿真对模型自身的稳定性进行了深入的研究与叙述。其次,完成了基于ARX模型的预测控制的CSTR控制系统设计。为了实现预测控制算法,对模型进行改进,分别建立了系统的问稳态模型、动态模型与预测模型;在此基础之上,提出理想的性能指标,设计滚动优化,实现了系统的逐步最优。仿真分析表明,信号响应动态品质良好,算法具有一定的先进性。再次,对常用于非线性系统的SMC方法的原理与传递函数恢复法LTR技术的文献进行了查阅与研究,结合目前国内外SMC与LTR领域的相关技术研究,给出了本文所用到的一些控制方法的理论基础概述,为后续在CSTR模型中的具体控制做了铺垫。最后,为解决SMC方法中存在的过于依赖系统自身状态、计算量极大、控制过程中存在抖振等难点,针对CSTR温控系统非线性模型,设计了基于LTR状态观测器的改进型SMC方法。该方法比较有效的解决了上面所提到的问题,削弱了系统抖振和对系统自身状态的过于依赖,并且设计出的LTR观测器对系统的摄动具有完全不变性,同时有效的避免了外界干扰的影响,仿真结果表明,基于LTR方法的改进型SMC算法,在连续搅拌反应釜温度的控制器设计中具有良好的性能,无论是实时性还是鲁棒性,都能达到预期效果,系统很快达到稳定状态。再次基础之上与预测控制系统进行对比验证,仿真结果表明,基于LTR的SMC方法在CSTR非线性控制系统中的控制性能在一定程度上比基于ARX模型的预测控制方法优秀,显示了该方法改进效果突出,控制系统具有良好的恢复性能和稳定性。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ052
【部分图文】：
应器就是本文所研宄的ＣＳＴＲ，无论是匀相反应还是多相反应均可在ＣＳＴＲ中进行，??也就是说固液、液液、液气等反应均可。原因是连续搅拌反应釜内部存在搅拌装置，??可以达到让反应物物料浓度均匀的目的。ＣＳＴＲ的具体结构图如图２－１所示，ＣＳＴＲ??主要由搅拌容器与搅拌机两个部分组成，而搅拌容器分为筒体、换热元件和内构件三??个部分；搅拌机分为搅拌轴、密封装置、搅拌器和传动装置几个部分。??９??
的反应过程及导热原理进行分析，建立理想的非线性ＣＳＴＲ数学模型。??对于一个单向的放热反应—?来说，主要有恒容夹套与反应器两个主要部??件，并通过单通道导入冷却剂实现降温过程，一个典型的ＣＳＴＲ如下图２－２所示。课??题中为了方便建模与仿真，假设设备为完全理想化，使反应可以充分发生，基于此建??模过程中做如下假设：??假设２．１．反应釜的搅拌为完全理想，物料可是实现完全混合接触，反应可以充分??发生；??假设２．２．反应物料与冷却剂的一般物理特性为常数，不随温度改变而改变；??假设２．３．反应釜外环境理想，无热量交换；??假设２．４．在反应进程中，进料和出料的流量相同。??Ｑ?Ｆ?７＞。???［＞＜１?，??Ｒｅａｃｔｏｒ?ｆｅｅｄ?Ａ?Ｂ??ｄ?ｏｉｌ．?ｂ—＇??ｍ?Ｃｏｏｌａｎｔ?ｏｕｔｌｅｔ??Ｈｉ?（＞ｂ?■??Ｃｏｏｌａｎｔ??Ｒｅａｃｔｏｒ?ｐｒｏｄｕｃｔ??图２－２?ＣＳＴＲ系统示意图??Ｆｉｇ．２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ＣＳＴＲ?ｓｙｓｔｅｍ?ｄｉａｇｒａｍ??１１??
Ｈ２＝－ＦＣｐｐ｛Ｔｆ－Ｔ）?＋?ｈＡ｛Ｔ－Ｔｃ）?（２－１０）??图２－３给出／／，、巧和反应温度之间的关系曲线。??６??ｘ１０??４??■?■?■?■?■?．?■???广??Ｉ。．?－??－２??：???Ｈ２???Ｈ１??？４??１?１?１?１?１????３１０?３２０?３３０?３４０?３５０?３６０?３７０?３８０?３９０??Ｔ（Ｋ）??图２－３放热量与移热量和温度之间的对应关系??Ｆｉｇ．２－３?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｏｆ?ｇｅｎｅｒａｔｅｄ?ｈｅａｔ，?ｒｅｍｏｖｅｄ?ｈｅａｔｅｄ?ａｎｄ?ｒｅａｃｔｏｒ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??从图中可以看出以下三种情况：??１、
【参考文献】
本文编号：2875318
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ052
【部分图文】：
应器就是本文所研宄的ＣＳＴＲ，无论是匀相反应还是多相反应均可在ＣＳＴＲ中进行，??也就是说固液、液液、液气等反应均可。原因是连续搅拌反应釜内部存在搅拌装置，??可以达到让反应物物料浓度均匀的目的。ＣＳＴＲ的具体结构图如图２－１所示，ＣＳＴＲ??主要由搅拌容器与搅拌机两个部分组成，而搅拌容器分为筒体、换热元件和内构件三??个部分；搅拌机分为搅拌轴、密封装置、搅拌器和传动装置几个部分。??９??
的反应过程及导热原理进行分析，建立理想的非线性ＣＳＴＲ数学模型。??对于一个单向的放热反应—?来说，主要有恒容夹套与反应器两个主要部??件，并通过单通道导入冷却剂实现降温过程，一个典型的ＣＳＴＲ如下图２－２所示。课??题中为了方便建模与仿真，假设设备为完全理想化，使反应可以充分发生，基于此建??模过程中做如下假设：??假设２．１．反应釜的搅拌为完全理想，物料可是实现完全混合接触，反应可以充分??发生；??假设２．２．反应物料与冷却剂的一般物理特性为常数，不随温度改变而改变；??假设２．３．反应釜外环境理想，无热量交换；??假设２．４．在反应进程中，进料和出料的流量相同。??Ｑ?Ｆ?７＞。???［＞＜１?，??Ｒｅａｃｔｏｒ?ｆｅｅｄ?Ａ?Ｂ??ｄ?ｏｉｌ．?ｂ—＇??ｍ?Ｃｏｏｌａｎｔ?ｏｕｔｌｅｔ??Ｈｉ?（＞ｂ?■??Ｃｏｏｌａｎｔ??Ｒｅａｃｔｏｒ?ｐｒｏｄｕｃｔ??图２－２?ＣＳＴＲ系统示意图??Ｆｉｇ．２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ＣＳＴＲ?ｓｙｓｔｅｍ?ｄｉａｇｒａｍ??１１??
Ｈ２＝－ＦＣｐｐ｛Ｔｆ－Ｔ）?＋?ｈＡ｛Ｔ－Ｔｃ）?（２－１０）??图２－３给出／／，、巧和反应温度之间的关系曲线。??６??ｘ１０??４??■?■?■?■?■?．?■???广??Ｉ。．?－??－２??：???Ｈ２???Ｈ１??？４??１?１?１?１?１????３１０?３２０?３３０?３４０?３５０?３６０?３７０?３８０?３９０??Ｔ（Ｋ）??图２－３放热量与移热量和温度之间的对应关系??Ｆｉｇ．２－３?Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｏｆ?ｇｅｎｅｒａｔｅｄ?ｈｅａｔ，?ｒｅｍｏｖｅｄ?ｈｅａｔｅｄ?ａｎｄ?ｒｅａｃｔｏｒ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??从图中可以看出以下三种情况：??１、
【参考文献】
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