化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法

摘要

本发明涉及一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法。目前采用传统的简单控制手段，控制参数完全依赖技术人员经验，控制效果很不理想。本发明方法首先基于化工过程实际数据建立传递函数过程模型，挖掘出基本的过程特性；然后基于该传递函数过程模型建立扩展状态空间二次型控制回路；最后通过计算二次型控制器的参数，将过程对象实施二次型控制。本发明的技术方案是通过数据采集、过程处理、预测机理、数据驱动、优化等手段，确立了一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法，利用该方法可有效提高控制的精度，提高控制平稳度。本发明方法弥补了传统控制的不足，并有效地方便了控制器的设计，保证控制性能的提升。

说明书

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法。

背景技术

化工过程是我国流程工业过程的重要组成部分，其控制的有效与否直接对后续的工艺处理过程以及降低全流程的能耗均有重大意义。作为工业生产的一个重要主体，流程工业生产过程水平的提高对整个工业经济效益的提高起着至关重要的作用。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。随着市场对石油化工产品的质量要求越来越高，以及生产工艺技术的发展，工艺过程变得更加复杂，传统的控制方法虽满足了一定的要求，但难以进一步提升控制水平。简单的过程控制已经无法满足控制精度和平稳性的要求，产品合格率低，装置效率低下，形成了从常规控制发展到复杂控制、先进控制等高级阶段的要求。而目前实际工业中控制基本上采用传统的简单控制手段，控制参数完全依赖技术人员经验，使生产成本增加，控制效果很不理想。我国化工过程控制与优化技术比较落后，能耗居高不下，控制性能差，自动化程度低，很难适应节能减排以及间接环境保护的需求，这其中直接的影响因素之一便是系统的控制方案问题。

发明内容

本发明的目标是针对现有的化工过程系统控制技术的不足，提供一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法。该方法弥补了传统控制方式的不足，保证控制具有较高的精度和稳定性的同时，也保证形式简单并满足实际工业过程的需要。

本发明方法首先基于化工过程实际数据建立传递函数过程模型，挖掘出基本的过程特性；然后基于该传递函数过程模型建立扩展状态空间二次型控制回路；最后通过计算二次型控制器的参数，将过程对象实施二次型控制。

本发明的技术方案是通过数据采集、过程处理、预测机理、数据驱动、优化等手段，确立了一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法，利用该方法可有效提高控制的精度，提高控制平稳度。

本发明方法的步骤包括：

(1)利用化工过程实际数据建立传递函数过程模型，具体方法是：

步骤(1).操作化工过程的输入使其有个阶跃变化，由记录仪表记录化工过程实时输出，将化工过程实时输出值                                               的响应曲线转换成无量纲形式：

其中，是化工过程实时输出的稳态值。

步骤(2).选取两个计算点，，依据以下计算公式计算传递函数过程模型所需要的参数：

其中，为化工过程输入的阶跃变化幅度。

步骤(3).将步骤(2)得到的参数转化为拉普拉斯形式的传递函数过程模型：

其中，为拉普拉斯变换算子，为模型的时间常数，为传递函数过程模型的时滞，表示过程模型的输出值的拉普拉斯变换，表示过程模型的输入的拉普拉斯变换。

                          

(2)基于该传递函数过程模型设计非最小实现扩展状态空间二次型控制器，具体方法是：

a.将上述传递函数过程模型通过采样周期转化为离散输入输出模型： 

其中和分别是离散输入输出模型的输出和输入变量，和分别是和的系数多项式； 

                           

其中是相应的系数，为后移步算子，是得到的离散输入输出模型阶次；

b.将上述离散输入输出模型通过后移算子处理成状态空间形式：

。

其中，、分别是第时刻的状态变量和输出变量值，为第时刻的输入增量变量值，、分别为第时刻的输出变量增量和输入变量增量值，、、分别为对应的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵，为取转置符号。

；

c. 定义一过程期望输出为，并且输出误差为：

 进一步得到第时刻的输出误差为：

其中，为第时刻的过程期望输出增量。

     定义一个新的复合状态变量：

  将上述处理过程综合为一个非最小实现扩展状态空间过程模型：

其中，为第时刻的复合状态变量，、、分别为对应复合状态变量的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵，具体是：

，，

d.定义非最小实现扩展状态空间二次型控制器目标函数的向量形式为：

其中，为目标函数，和分别为状态变量和输出变量的加权矩阵。

e.计算控制器的参数，具体是：

其中为控制器反馈系数向量。

本发明提出的一种化工过程非最小实现扩展状态空间二次型控制方法弥补了传统控制的不足，并有效地方便了控制器的设计，保证控制性能的提升，同时满足给定的生产性能指标。

本发明提出的控制技术可以有效减少理想工艺参数与实际工艺参数之间的误差，进一步弥补了传统控制器的不足，同时保证控制装置操作在最佳状态，使生产过程的工艺参数达到严格控制。

具体实施方式

以焦化分馏塔液位过程控制为例：

这里以焦化分馏塔液位过程控制作为例子加以描述。该过程是一个复杂的过程，焦化分馏塔液位不仅受到进料流量的影响，同时也受焦化加热炉出口温度，燃料量流量的影响。调节手段采用进料流量，其余的影响作为不确定因素。

(1)建立传递函数过程模型，具体方法是：

第一步：操作焦化分馏塔液位过程的进料量阀门使其输入有个阶跃变化，利用数据采集器采集焦化分馏塔液位过程输入数据（进料流量）和输出数据（焦化分馏塔液位），由记录仪表记录过程实时输出，将过程实时输出值的响应转换成无量纲形式：

其中，是过程实时输出的稳态值。

第二步：选取两个计算点，，依据以下计算公式计算传递函数过程模型所需要的参数：

其中，为过程输入的阶跃变化幅度。

第三步：将第二步得到的参数转化为拉普拉斯形式的传递函数过程模型：

其中，为拉普拉斯变换算子，为模型的时间常数，为传递函数过程模型的时滞，表示过程模型的输出值的拉普拉斯变换，表示过程模型的输入的拉普拉斯变换。

                          

(2)设计焦化分馏塔液位过程非最小实现扩展状态空间二次型控制器，具体方法是：

a.将上述得到的传递函数过程模型通过采样周期转化为离散输入输出模型为： 

其中和分别是离散输入输出模型的输出和输入变量，和分别是和的系数多项式； 

                           

其中是相应的系数，为后移步算子，是得到的离散输入输出模型阶次；

b.将上述离散输入输出模型通过后移算子处理成状态空间形式：

。

其中，、分别是第时刻的状态变量和输出变量值，为第时刻的输入增量变量值，、分别为第时刻的输出变量增量和输入变量增量值，、、分别为对应的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵，为取转置符号。

；

c. 定义一过程期望液位输出为，并且液位输出误差为：

 进一步得到第时刻的液位输出误差为：

其中，为第时刻的过程期望液位输出增量。

     定义一个新的复合状态变量：

  将上述处理过程综合为一个非最小实现扩展状态空间过程模型：

其中，为第时刻的复合状态变量，、、分别为对应复合状态变量的状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵，具体是：

，，

d.定义非最小实现扩展状态空间二次型控制器目标函数的向量形式为：

其中，为目标函数，和分别为状态变量和输出变量的加权矩阵。

e.计算控制器的参数，具体是：

其中为控制器反馈系数向量。