非线性优化控制在化工过程CSTR中的应用研究

摘要

连续搅拌釜CSTR（continuous stirred tank reactor）是一个典型的化工动态过程，过程中存在着严重非线性、外界干扰等现象，这些因素不但会破坏控制系统的稳定性，还会影响产品的质量。随着当代工业对控制系统的性能和精度要求在不断提高，对温度控制的要求也在不断提高，因此，化工过程CSTR系统最优控制课题的研究具有重要的理论和现实意义。
　　本文首先简述了非线性系统和最优控制理论的研究现状，然后，针对具有一类表达形式的化工过程CSTR系统，研究最优控制算法，包括状态调节器问题、输出调节器问题、跟踪控制问题、以及受扰系统的扰动抑制跟踪控制问题。本文的主要内容概括如下：
　　1.介绍了非线性系统的基本概念及其研究现状和主要方法，引出仿射非线性系统的概念，针对一类典型的非线性连续搅拌反应釜CSTR系统进行分析和建模。给出反馈线性化相关的部分微分几何基础知识，基于此给出一种非线性最优控制规律的求解方式。
　　2.考虑非线性化工过程CSTR系统，在反馈线性化的基础上提出最优状态调节器的设计方式，首先，将系统的最优控制问题转化为求解两点界限值问题，求出最优控制律。然后，为了解决状态反馈的工程构成问题，运用模型转换方法，提出构造状态观测器，并提供了设计方法。
　　3.由于输出反馈在物理实现上优于状态反馈，进而针对非线性化工过程 CSTR系统，设计二次型最优输出调节器，考虑输出反馈的功能不及状态反馈的功能这一问题，提出一种用动态补偿器设计最优调节器的方法，通过维数增广，把动态输出反馈问题转换为状态反馈，求解最优控制律。
　　4.考虑化工过程中对温度控制精确性的要求，针对非线性化工过程CSTR系统，研究最优跟踪控制问题，在将非线性系统模型线性化的基础上，设计最优跟踪控制律，使系统输出能够渐近跟踪到期望输出，并且保证误差极小这一前提条件，利用仿真计算校验该方法的有效可行性。
　　5.针对一类受扰动的化工过程CSTR系统模型，研究最优扰动抑制跟踪控制问题。利用反馈线性化方法，对受扰CSTR模型进行线性化，首先，提出一种最优扰动抑制跟踪控制律的求解方法。进一步，利用内模原理，通过模型转换，设计无静差最优扰动抑制跟踪控制策略。
　　最后部分对论文的主要内容和工作进行归纳，并且对以后的学习科研进行展望，指明了进一步的研究方向。

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英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 非线性系统的概述

1.3最优控制概述

1.4 CSTR化工过程描述

1.5 本文的主要研究内容

第2章 非线性CSTR系统的线性化

2.1 非线性系统最优控制

2.2反馈线性化设计

2.3模型计算

2.4本章小结

第3章 基于观测器的化工过程CSTR最优调节器设计

3.1问题描述

3.2 状态调节器问题

3.3基于观测器的状态反馈系统

3.4 本章小结

第4章 基于动态输出反馈的化工过程CSTR最优控制

4.1 问题描述

4.2输出调节器问题

4.3基于动态输出反馈的调节器问题

4.4 本章小结

第5章 化工过程CSTR的多段最优输出跟踪控制

5.1问题描述

5.2最优跟踪控制

5.3 本章小结

第6章 受扰化工过程CSTR的最优扰动抑制跟踪控制

6.1 受扰非线性系统线性化设计

6.2 最优扰动抑制跟踪控制

6.3 无静差跟踪控制

6.4本章小结

结论

参考文献

致谢

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