非线性CSIR系统的控制方法研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 CSTR系统控制方法的研究现状

1．3 控制方法概述

1．3．1 变结构控制方法的研究现状

1．3．2 LTR方法的研究现状

1．4 待解决的问题

1．5 本文的研究内容和创新点

第二章 CSTR工作机理及数学模型

2．1 CSTR的结构及工作原理

2．2 CSTR的非线性机理模型

2．2．1 CSTR机理模型建立

2．2．2 模型稳定性分析

2．3 无量纲化

2．4 本章小结

第三章 预测控制方法在CSTR系统中的研究

3．1 预测控制理论概述

3．2 非线性预测控制描述

3．3 CSTR预测模型的建立

3．3．1 稳态模型设计

3．3．2 动态模型设计

3．3．3 预测模型设计

3．4 滚动优化的实现

3．5 仿真验证

3．6 本章小结

第四章 基于LTR的SMC方法控制理论基础

4．1 SMC基本原理

4．1．1 滑模切换面的一般设计过程

4．1．2 等效控制

4．1．3 滑动模态运动方程

4．1．4 滑模变结构系统控制的匹配条件

4．2 LTR方法基本原理

4．2．1 LQG控制器

4．2．2 LTR技术

4．3 本章小结

第五章 基于LTR的滑模变结构控制方法在CSTR系统中的研究

5．1 模型线性化

5．2 控制系统描述

5．3 基于LTR观测器的滑模变结构控制系统设计．

5．3．1 LTR观测器设计

5．3．2 SMC设计

5．4 控制系统的性能分析

5．4．1 LTR估计器估计性能分析

5．4．2 SMC性能分析

5．5 仿真研究

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介