一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法。所述连续搅拌聚丙烯反应釜的自抗扰控制方法采取离散形式，包括跟踪微分器模块，扩张状态观测器模块和非线性反馈控制器模块。首先通过整定跟踪微分器和扩张状态观测器模块参数；然后，安排过渡过程估计扰动；最后利用误差信号调整非线性反馈控制器模块，实现聚丙烯反应釜的温度控制。其优点是：本控制方法在SIMATICPCS7设备上实现，无需建立连续搅拌聚丙烯反应釜模型，动态响应迅速，且系统在存在干扰和变负荷工况下具有很好的适应性和鲁棒性。
【专利说明】一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法，属于化工生产的 过程控制领域。
【背景技术】
[0002] 工业聚丙烯反应是一类重要的间歇生产过程，其过程工艺复杂，具有大滞后、时变 和不确定等特性。聚丙烯生产在工业常见的带搅拌反应釜（CSTR)中进行，为连续聚合反应 过程。生产要求反应物丙烯和乙烷在催化剂作用下，在70±1. 0°C温度下发生聚合反应，得 到符合工艺要求的聚丙烯产品。
[0003] 由于连续搅拌反应釜强烈搅拌使溶剂乙烷发挥了很好的分散与稀释作用，因此反 应釜中的物料流动状态满足全混流假定，即釜内各点的组成和温度都是均匀的，反应釜出 口的组成和温度与反应釜内部相等。其次，反应物料在反应釜内的停留时间与反应器内实 际的物料容积和物料的体积流量有关，停留时间越长，进料流量越小，反应转化率越高。最 后，聚合反应属于放热反应，因此对温度的控制有正反馈作用，反应放热使温度升高，促使 聚合速度加快，转化率提高，但如不能及时控制聚合反应温度，随着反应温度进一步升高。 该正反馈作用导致反应釜温度急剧上升，同时釜内压力飞升，从而影响聚丙烯产品质量，甚 至影响生产的安全性。
[0004] 目前，很多控制算法被提出用于连续搅拌聚丙烯反应过程：如混合遗传算法、模型 分解预测控制、神经网络内模控制算法、反馈线性化方法等。但这些方法都需要获知系统的 精确数学模型，而机理建模方法涉及物料平衡、能量守恒和化学反应过程等一系列问题，实 际中很难得到具体模型，实用性受到很大限制。
[0005] 自抗扰控制器（Active Disturbances Rejection Control, ADRC)是在继承经典 PID控制"以误差消除误差"的思想精髓、不依赖对象模型。自抗扰控制技术的核心是把系 统的未建模动态和未知的外扰作用都归结为对系统的扰动总和进行估计并给予补偿，进而 采用特殊的非线性效应，开发出具有特殊功能的环节来组合出高品质的控制器。自抗扰控 制算法简单，易于操作，参数适应性广，即使在对象模型失配或遇到不确定性扰动作用时也 能得到很好的控制效果，具有较强的抗干扰能力和良好的鲁棒性，而且对一定类型的对象 具有通用性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是解决连续搅拌聚丙烯反应釜在模型未知情形下的温度控制问题， 设计离散自抗扰控制方法使聚丙烯反应釜温度在安全允许范围内稳定的达到规定值，并采 用SIMATIC PCS 7作为控制器实现装置，无需建立连续搅拌聚丙烯反应釜模型，动态响应迅 速，在干扰和变负荷工况下具有很好的适应性和鲁棒性；根据本发明提供的技术方案，所述 连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰无模型控制方法按如下步骤进行。
[0007] 第一步：设计跟踪微分器模块TD用于根据输入和未知模型对象来安排过渡过程 并提供其各阶导数。以二阶系统为例，对其输入一个信号V，跟踪微分器模块TD给出2个输 出，即跟踪输入信号Xl和输入信号的微分x2，其离散形式为：
【权利要求】
1. 一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法，其特征在于：离散自抗扰无模 型控制方法包括跟踪微分器模块TD、扩张状态观测器模块ESO和非线性误差反馈控制器模 块 NLSEF。
2. 根据权利要求1所述的一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰无模型控制方法， 其特征在于：以二阶系统为例，跟踪微分器模块TD用于根据输入和未知模型对象来安排过 渡过程并提供其各阶导数。
3. 主要机理为：对其输入一个信号V，跟踪微分器模块TD给出2个输出，即跟踪输入信 号Xi和输入信号的微分x2，其离散形式为：
其中h为积分步长；速度因子r决定跟踪信号响应的快慢；滤波因子&在有扰动噪声 时决定滤波效果；fUpXy r，h)为离散时间最速控制函数，计算式为：
式中，sign (*)为符号函数；由此可以得出控制目标v的跟踪信号Xl和微分信号x2 ;跟 踪微分器模块TD通过快速无超调地跟踪输入信号并给出较好的微分信号，从而可有效避 免经典PID控制算法中因设定值突变导致的控制量突变及输出量的超调。
4. 根据权利要求1所述的一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法，其特征 在于：以二阶系统为例，扩张状态观测器模块ESO是自抗扰控制器的核心，能够实时观测无 模型对象系统中的非线性动态、模型不确定性及外部扰动等并予以补偿，因此对一定范围 的对象具有很好的适应性和鲁棒性，取：
则扩张状态观测器ESO算法如下：
其中a，S，@ Q1，P Q2, @ Q3为可调参数。
5. 根据权利要求1所述的一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰无模型控制方 法，其特征在于：以二阶系统为例，非线性误差反馈控制器模块NLSEF利用跟踪微分器模块 TD和扩张状态观测器模块ESO可产生过渡过程的误差信号ei=Xl (k) -Zl (k)及误差微分信号 e2=x2 (k) _z2 (k)，从而生成误差积分信号
；取误差反馈律：
进一步通过调整补偿因子b对扰动进行补偿得到控制量u。
6. 根据权利要求1所述的一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰控制方法，其特 征在于：采用SIMATIC PCS 7作为控制器实现装置，输入是聚丙烯反应釜温度经传感器采 集模块A/D转换后得到的数字量信号，输出是控制气动阀开度的数字量，经D/A转换模块后 用来控制夹套冷却剂流量，达到控制聚丙烯反应釜温度的目的，使温度在安全允许范围内 快速稳定的达到规定值。
7. 根据权利要求1所述的一种连续搅拌聚丙烯反应釜温度的自抗扰无模型控制方法， 其特征在于：整定跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制器模块中的参数步 长h，速度因子r，扩张状态观测器中的，线性组合中的Ivkph和补偿因子 b ； 其中h、b的设置对系统控制的影响最大，0 a, 0 %，0 m与h之间相互影响；调节控制 器参数在调节前可以先依据经验关系确定几个参数值，之后根据实际情况做出相应改变。
【文档编号】G05B13/04GK104281055SQ201410099592
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】陶洪峰 申请人:江南大学