一种多级搅拌反应器的分布式控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化技术，具体涉及一种多级搅拌反应器的分布式控制方法。
【背景技术】
[0002] 搅拌反应器是用于使液体或气体均匀混合的常用反应装置，被广泛应用于化工、 医药、发酵等化学合成过程。在连续生产过程中为提高反应效率常采用多个级联的搅拌反 应器。这类多级化学反应系统具有很强的非线性和时滞性，采用单一的集中式控制器很难 达到理想的控制效果。
[0003] 分布式控制指在一个生产过程中采用多个控制器对各个控制点进行控制，各控制 器之间通过网络传达数据和操作指令。相比于传统的集中式控制，分布式控制具有可靠、开 放、灵活、协调和易于维护等特点。在分布式控制系统中，各子控制器承担的任务相对具体， 可以针对实际需求采用特定硬件和软件的专用计算机，从而提升系统的控制效果。另一方 面，网络通信技术和计算机技术的迅猛发展也为分布式控制系统在工业中的应用提供了必 要的条件。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在克服现有集中式控制系统存在的不足，提出一种可靠、灵活、协调性强 的多级搅拌反应器的分布式控制方法。
[0005] 所述分布式控制系统的结构如图1所示，其中的被控对象是由多个搅拌反应器级 联而成的系统，分布式控制器包含多个子控制器，将每个反应器作为一个控制点分别配置 一个子控制器加以监测和控制，每个子控制器包涵传感、计算和通信模块，各子控制器通过 网络传输数据和控制指令。
[0006] 所采用控制方法的实施步骤如下：
[0007] 1)建立多级搅拌反应器系统的描述模型，不失一般性，考虑由N个反应器级联而成 的系统，建立其描述模型如下：
[0008]
[0009] 如式（1)所示的离散状态空间模型中，时间变量k表示第k个单位周期，下标i和下 标j用于表示反应器集合或子控制器集合中的第i个或第j个元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第 i个反应器的状态向量，m是第i个分布式控制器输出的控制信号，Vl是外界的扰动信号，函 数g()用于描述了每个反应器的参数摄动，时延因子cU(k)具有上界cU和下界d 2。矩阵Au， Aij，Bi，Ei，W〇i，Wii是系统的系数矩阵。
[0010] 2)每个分布式控制器根据如式(2)所示的算法计算控制信号：
[0011]
[0012]其中k是待设计的控制器参数矩阵，参数&1谦示分布式控制器之间的邻接关系， 即，au = l表示子控制器i可以接收子控制器j的信息，反之，a^ = 0,参数aj(k)表示控制器j 的信息成功传输的概率，Ι:ι、α/(^ = α,^函数Qj〇表不子控制器j中量化器的量化规则：
[0013]
[0014] 上式中，变量τ表不量化器的输入信号，参数
表不子控制器i中量化器 的误差界，参数Ρ:是对应量化器的量化密度，参数^是对应量化器的量化级。
[0015] 3)根据如下算法设计控制器参数:对于给定的系统（1)，通过求解式(4)和(5)计算 控制器参数K ij:
[0016]
[0017] PT = I (5)
[0018] 上式中，
：.?Ω2=[? 0 0 0 0]，Ω3=[Ω3?··· Ω3Ν],Ω4=[Αε 000 0],Ω5=[Ω5ι ··· Ω 5n] ,S = diag{Sn ,Ξ22, · · ·Ξ55} ,B = diag{Bi, · · ·, Βν},
，
是由步骤1)和步骤2)中所述系数 矩阵、参数和变量构成的矩阵，它们的具体结构和其中的元素定义如下：
[0019] - __
，对称正 定矩阵P，T，Q和正标量，&是式(4)和式(5)求解过程中定义的任意中间变量，I表示适当 维数的单位矩阵，S()表示克罗内克函数，函数diag{}表示以给定的元素构建分块对角矩 阵。
[0020] 本发明的优点是:所提控制方案可靠、灵活、协调性强且易于维护。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明所述分布式控制系统的结构图。
[0022] 图2是本发明所述二级搅拌反应器控制系统的示意图。
[0023] 图3是本发明所述二级搅拌反应器的控制效果图。
【具体实施方式】
[0024] 为更直观的说明本发明的方案和优势，下面结合附图及实施例对本发明的技术方 案作进一步描述。
[0025] 考虑由两个反应器组成的系统，如图2所示，反应器1的输入包含流速Fo,摩尔浓度 Cao,温度To的原料以及来自反应器2的流速为Fr，摩尔浓度为CA2,温度为^的回收再利用的 反应材料，反应器2的输入也包含原料及来自反应器1的回收材料。
[0026] 该系统的动态特性如下：
[0027]
[0028] 上式中：
，
，
，分别为热含量，指数系数常量和反应的激活能，其中的系数i = 1，2，3，cdPp则分别是
热容量和反应中的流体密度，系统的具体参数由表1给出。
[0029] 表1二级搅拌反应器的参数
[0032] 选取工作点
，对系统
[0030]
[0031] (6)进行线性化，可得如下线性系统：
[0033]
(7)
[0034] 其中，系统的状态向量
_，系统的输入向量
。根据表1中的参数，计算可得式（7 )的参数矩阵
[0035] 选取采样周期Ts = 0.0025h，将系统(7)离散化后可得：
[0036]
[0037] 上式中参数矩阵
，
〇
[0038] 给定参数豕& = 〇.7，01 = 〇.9，02 = 〇.7，根据步骤2)所述方法，求得控制器 参数为：
[0039]
=
[0040] 根据求得的控制器参数按式(2)生成控制信号对系统(8)进行控制，控制效果如图 3所示，其中xlcjPxlc2是反应器1的状态，x2cdPx2c 2是反应器2的状态，由图3可知，本发明 所提的方法可以实现较好的控制效果。
【主权项】
1. 一种多级搅拌反应器的分布式控制方法，针对由多个搅拌反应器级联而成的系统， 将每个反应器作为一个控制点分别配置一个子控制器加以监测和控制，每个子控制器包涵 传感、计算和通信模块，各子控制器通过网络传输数据和控制指令，其特征在于该方法在实 施过程中包括以下技术步骤： 1) 建立多级搅拌反应器系统的描述模型，不失一般性，考虑由N个反应器级联而成的系 统，建立其描述模型如下：如式（1)所示的离散状态空间模型中，时间变量k表示第k个单位周期，下标i和下标j用 于表示反应器集合或子控制器集合中的第i或第j个元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第i个反应 器的状态向量，m是第i个分布式控制器输出的控制信号，V1是外界的扰动信号，函数g()用 于描述了每个反应器的参数摄动，时延因子di(k)具有上界di和下界d2。矩阵Aii，Aij，Bi，Ei， W 0i，Wu是系统的系数矩阵； 2) 每个分布式控制器根据如式(2)所示的算法计算控制信号：其中Klj是待设计的控制器参数矩阵，参数表示分布式控制器之间的邻接关系，即， aiJ = l表示子控制器i可以接收子控制器j的信息，反之，出产0,参数aj(k)表示控制器j的信 息成功传输的概率，函数表示子控制器j中量化器的量化规则：上式中，变量τ表不量化器的输入信号，参数表不子控制器i中量化器的误差 界，参数Pi是对应量化器的量化密度，参数Kj是对应量化器的量化级； 3) 根据如下算法设计控制器参数，对于给定的系统（1)，通过求解式(4)和(5)计算控制 器参数Kij:是由步骤1)和步骤2)中所述系数矩阵、参数和变量构成的 矩阵，它们的具体结构和其中的元素定义如下：对称正定矩阵P，T，Q和 正标量ε A1A2是式(4)和式(5)求解过程中定义的任意中间变量，I表示适当维数的单位矩 阵，S()表示克罗内克函数，函数diag{ }表示以给定的元素构建分块对角矩阵。
【专利摘要】一种多级搅拌反应器的分布式控制方法，针对由多个搅拌反应器级联而成的系统，将每个反应器作为一个控制点分别配置一个子控制器加以监测和控制，每个子控制器包涵传感、计算和通信模块，各子控制器通过网络传输数据和控制指令，包括以下技术步骤：1)建立多级搅拌反应器的描述模型；2)计算分布式控制器的参数；3)按规则配置分布式控制器，生成控制信号，实现对系统的控制。所述分布式控制方法具有可靠、灵活、协调性强和易于维护等特点。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105487380
【申请号】CN201511008202
【发明人】冯宇, 凌荣耀, 张丹, 张文安, 黄延昱
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月29日