本文關(guān)鍵詞：連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的非線性LTR控制方法研究

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【摘要】：連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器CSTR (Continuously Stirred Tank Reactor)作為一種化工領(lǐng)域中常見(jiàn)的反應(yīng)容器,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,是進(jìn)行各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的重要設(shè)備,其操作狀況的好壞對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量等會(huì)產(chǎn)生直接的影響。目前由于CSTR系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性,其控制大都存在算法復(fù)雜,魯棒性和實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題。因此,CSTR控制方法的研究具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于CSTR系統(tǒng),反應(yīng)釜內(nèi)的溫度是其中最重要的參數(shù)之一,反應(yīng)釜內(nèi)的溫度往往能對(duì)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量造成決定性的影響。在反應(yīng)過(guò)程中,若不能將多余的反應(yīng)熱及時(shí)移去,不但會(huì)降低生產(chǎn)效益,更可能影響反應(yīng)的安全性。因此,反應(yīng)過(guò)程的溫度控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一個(gè)必須考慮的參數(shù)是反應(yīng)濃度,它直接顯示了反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)狀況以及產(chǎn)品質(zhì)量,實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)濃度也是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。然而,實(shí)際應(yīng)用中濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)具有很高的復(fù)雜性,成本也比較昂貴,存在檢測(cè)條件、資金等多方面的限制。為解決這一問(wèn)題,一些學(xué)者和工程人員提出利用系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)反應(yīng)濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),實(shí)踐證明這一做法是行之有效且具有實(shí)際價(jià)值的。本文在查閱了大量關(guān)于CSTR系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)以及溫度控制的相關(guān)文獻(xiàn)后,首先,具體闡述了CSTR的結(jié)構(gòu)以及工作原理,給出了CSTR的非線性機(jī)理模型及其推導(dǎo)過(guò)程,對(duì)模型進(jìn)行了無(wú)量綱化處理,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了具體深入的探討。其次,由于線性卡爾曼濾波器僅用在線性系統(tǒng)中,而CSTR是一個(gè)高度的非線性對(duì)象,所以本文分別利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器EKF (Extended Kalman filter)和無(wú)跡卡爾曼濾波器UKF (Unscented Kalman filter)對(duì)非線性CSTR系統(tǒng)的濃度變量進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì),其中EKF利用雅可比矩陣(Jacobian Matrix)進(jìn)行實(shí)時(shí)線性化,UKF采用比例修正對(duì)稱采樣策略得到Sigma點(diǎn)集。文中給出了CSTR狀態(tài)估計(jì)兩種非線性KF算法的具體設(shè)計(jì)過(guò)程,并分析了兩種觀測(cè)器在進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自適用的系統(tǒng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)觀測(cè)器的有效性,并進(jìn)行了估計(jì)精度、穩(wěn)定性等方面的比較。再次,對(duì)適合于線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)恢復(fù)法LTR (Loop Transfer Recovery)進(jìn)行了改進(jìn),使其能夠應(yīng)用到非線性過(guò)程系統(tǒng)的控制中。提出利用變?cè)鲆婢�性二次型調(diào)節(jié)器LQR (Linear Quadratic Regulator)的方法對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制,并通過(guò)對(duì)非線性實(shí)例的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該非線性控制方法相比于線性LQR方法的優(yōu)越性；在此基礎(chǔ)上,針對(duì)二變量CSTR系統(tǒng)提出變?cè)鲆鍺LTR (Nonlinear Loop Transfer Recovery)控制方法,采用EKF進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè),利用線性二次高斯LQG控制方法設(shè)計(jì)控制器,加入積分單元以保證系統(tǒng)輸出跟蹤上設(shè)定值,通過(guò)傳遞函數(shù)恢復(fù)法對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)性能恢復(fù),從而完成了整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)：仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的NLTR控制方法的穩(wěn)定性、快速性和魯棒性,通過(guò)與文獻(xiàn)[21]中的終端滑模控制TSMC (Terminal Sliding Mode Control)方法進(jìn)行對(duì)比,顯示了該方法的優(yōu)越性。最后,由于UKF相比于EKF具有更高的精度和穩(wěn)定性,因此針對(duì)三變量CSTR系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于UKF的變?cè)鲆鍺LTR控制器,分析了不同加權(quán)矩陣系數(shù)對(duì)控制效果的影響,并通過(guò)與基于EKF的變?cè)鲆鍺LTR控制方法進(jìn)行對(duì)比,顯示了該方法良好的改進(jìn)效果。性能指標(biāo)靈敏度函數(shù)也證明了所提方法具有良好的恢復(fù)性能。
【關(guān)鍵詞】：連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 非線性傳遞函數(shù)恢復(fù) 擴(kuò)展卡爾曼濾波器 無(wú)跡卡爾曼濾波器 魯棒性
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP273
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-17
• 第一章 緒論17-25
• 1.1 課題背景及意義17-18
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.1 狀態(tài)觀測(cè)器研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.2 CSTR系統(tǒng)控制方法的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 卡爾曼濾波器概述20-21
• 1.4 LTR方法概述21-23
• 1.5 待解決的問(wèn)題23
• 1.6 本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)23-25
• 第二章 CSTR過(guò)程機(jī)理描述及數(shù)學(xué)模型25-33
• 2.1 CSTR的結(jié)構(gòu)及工作原理25-26
• 2.2 CSTR的非線性機(jī)理模型26-30
• 2.2.1 CSTR機(jī)理模型建立26-28
• 2.2.2 模型穩(wěn)定性分析28-30
• 2.3 無(wú)量綱化30-31
• 2.4 本章小結(jié)31-33
• 第三章 CSTR系統(tǒng)的非線性卡爾曼觀測(cè)量設(shè)計(jì)33-47
• 3.1 卡爾曼濾波算法33-34
• 3.2 基于EKF的CSTR狀態(tài)估計(jì)34-38
• 3.3 基于比例修正UKF的CSTR狀態(tài)估計(jì)38-41
• 3.3.1 比例修正對(duì)稱采樣38-39
• 3.3.2 UKF算法流程39-41
• 3.4 仿真研究41-45
• 3.5 本章小結(jié)45-47
• 第四章 非線性CSTR系統(tǒng)的NLTR控制方法47-75
• 4.1 變?cè)鲆鍸QR控制器設(shè)計(jì)47-54
• 4.1.1 模型線性化47-50
• 4.1.2 變?cè)鲆鍸QR控制器50-52
• 4.1.3 實(shí)例52-54
• 4.2 LQG/LTR方法的基本原理54-59
• 4.2.1 LQG基本原理54-56
• 4.2.2 LTR方法的輸入端恢復(fù)56-58
• 4.2.3 LTR方法的輸出端恢復(fù)58-59
• 4.2.4 LTR方法的設(shè)計(jì)步驟59
• 4.3 控制系統(tǒng)的靈敏度59-62
• 4.4 非線性變?cè)鲆鍸TR控制器設(shè)計(jì)62-66
• 4.4.1 基于EKF的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)62-63
• 4.4.2 基于輸出端恢復(fù)的變?cè)鲆鍺LTR控制器設(shè)計(jì)63-66
• 4.5 仿真研究66-74
• 4.5.1 NLTR控制方法68-70
• 4.5.2 控制效果比較70-74
• 4.6 本章小結(jié)74-75
• 第五章 基于UKF的NLTR控制器設(shè)計(jì)75-85
• 5.1 三變量非線性CSTR模型75-76
• 5.2 基于UKF的CSTR系統(tǒng)的NLTR控制器設(shè)計(jì)76-79
• 5.3 仿真研究79-83
• 5.4 本章小結(jié)83-85
• 第六章 結(jié)論與展望85-87
• 6.1 結(jié)論85-86
• 6.2 展望86-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 致謝91-93
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文93-95
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介95-97
• 附件97-98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：950341