专利名称：连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及化学工业控制领域的控制装置，具体的说，是连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置。
背景技术：
反应釜是化工生产过程中广泛应用的一种化学反应器，由于其本身的强非线性、 时变、大滞后等特性，使得反应釜成为一种涉及多种因素的复杂系统，其控制质量直接影响到生产的效率和质量指标。反应釜内的特征参量一般为温度、压力、浓度等，对这些参数控制的好坏直接影响生产物的质量。连续搅拌反应釜是釜式反应器的一种，它是工业生产过程中最常用的化学反应器，既可进行勻相反应，又可进行多相反应，如液固、气液、液液及气固液等反应，其内部有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料浓度均一。其运行特点是投资少、热交换能力强和产品质量稳定等，因而在工业生产中得到了广泛的应用，也就具有很大的研究价值。反应釜温度控制的品质直接影响产品质量和产量。由于化工生产过程既是放热的化学反应过程，又是物理变化过程，聚合反应机理复杂，如果不及时移去反应热，将使反应剧烈超出正常范围，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果加入过量的冷水又将使反应激落， 甚至造成“僵釜”现象，直接影响到产品的质量和产量，严重时会危及工作人员的生命安全。 因此反应釜温度控制对于保证反应釜产品质量和安全生产起着至关重要的作用。反应釜的温度控制系统的任务是在保证系统稳定的条件下，通过选择合适的控制变量，准确控制反应釜内的浓度或温度以达到控制目的。目前对连续搅拌反应釜温度的控制一般采用PID控制，其控制系统由模数转换装置、控制器、电位放大器、滤波器、数模转换装置、和各种传感器组成。具体实施办法是将反应釜的非线性模型在工作点进行线性化处理，进而根据PID思想设计控制器。PID控制器算法简单，鲁棒性好，但其仅适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而连续搅拌反应釜的生产过程是一个强非线性、时变、大滞后的反应过程，系统的一些参数不断变化，导致系统模型中不可避免的存在未建模动态和不确定项，且实际生产过程中会导致反应釜工作点漂移，因此基于工作点线性化处理系统模型的方法，如PID控制器，就不再适用。经过对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN101637711，专利名称一种反应釜高效控温方法及装置，该专利描述了一种控制反应釜温度的方法。该方法将温度划分为四个阶段，用不同的阈值来区分，并分别采用固定的控制输出(固定电位值)、模糊 PID控制输出的方法来调整反应釜温度。中国专利公开号CN101349925，专利名称一种带夹套的反应釜温度控制系统及其温度控制方法，该专利描述了一种带夹套的反应釜温度控制方法。该方法测量夹套和反应釜内的温度，并对这两部分装置分别采用不同的PID控制器控制。上述方法所采用的均是PID控制方法，因而本质上均属于线性控制的范畴，不适合于连续搅拌反应釜这种强非线性、时变、大滞后的复杂系统，不能实现最优控制。
实用新型内容针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种适用于连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，能够在线逼近系统未建模动态和不确定项，简化控制器的结构，大大提高控制的精度，减少控制响应时间。本实用新型的技术方案是这样实现的连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，包括传感器系统、A/D转换器、计算机、滤波器、自适应模糊动态面控制器、D/A转换器、信号放大器和执行器，自适应模糊动态面控制器包括模糊逼近器、参数自适应调整器和动态面控制器；所述传感器系统的输出端连接到A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接到计算机的输入端，计算机的输出端连接到滤波器的输入端，滤波器的输出端分别连接到模糊逼近器、参数自适应调整器和动态面控制器的输入端，模糊逼近器和参数自适应调整器的输出端均连接到动态面控制器的输入端，动态面控制器的输出端连接到D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端连接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端连接到执行器。上述连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，传感器系统包括温度传感器和浓度传感器。上述连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，滤波器为Kalman滤波器。上述连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，执行器为气动调节阀。本实用新型的有益效果是本实用新型较为完整的考虑了连续搅拌反应釜自身强非线性、开环不稳定的特点，可以适应反应釜工作点微量漂移的工作环境；能较好的逼近连续搅拌反应釜系统中的未建模动态和不确定项，在线抵消这些因素对闭环系统稳定性的影响，并反推获得简化的自适应模糊动态面控制器，故能提高控制精度，降低反应釜的反应时间。
图1为本实用新型连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置的结构示意图。图2为本实用新型连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置的控制方法的流程图。图3为本实用新型系统输出跟踪标称值情况示意图。图4为本实用新型系统状态有界示意图。图5为本实用新型控制输入示意图。图中1-传感器系统，2-A/D转换器，3-计算机，4-滤波器，5-模糊逼近器，6-参数自适应调整器，7-动态面控制器，8-D/A转换器，9-信号放大器，10-执行器。
具体实施方式
结合附图对本实用新型做进一步的说明本实用新型的工作原理是本实用新型的核心部分是连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制器的设计，自适应模糊动态面控制器是参数自适应调整器6、模糊逼近器5和动态面控制器7的结合。反应釜系统的模型为两阶不确定非线性连续系统，系统的未建模动态和不确定项
4在系统第一阶内为反应釜内反应物料的浓度C的函数，在系统第二阶内为反应物料浓度C 和出料温度T的函数，这些未建模动态和不确定项用模糊逼近器5来逼近
Fx(C) = θ{φχ (C) + e, (C)，F2(CJ): θ{φ2 (C, T) + e2 (C, Τ)其中F1 (C)和F2 (C，Τ)为系统未建模动态和不确定项，θ工和θ 2为模糊逼近器5 的设计参数，從奶(C)和树约(C)为模糊逼近器5的输出，θι和％为逼近误差。自适应算法用于在线调整模糊逼近器5的设计参数，使得模糊逼近器5的输出以所需要的精度拟合系统模型中的未建模动态和不确定项。参数的误差积分调整自适应律选
择为
θ\ =θ2 = 52 (.Sr2^2 (χ, Qr1,/1)-^)其中β, 二所>0，二圾>0和r > 0为自适应增益。动态面控制器7设计时，先利用反馈线性化的方法设计虚拟控制量，该虚拟控制量可以稳定第一阶系统。然后让这个虚拟控制量通过低通滤波器，并反推设计最终的自适应模糊动态面控制器，该自适应模糊动态面控制器可以稳定整个系统。低通滤波器可以过滤掉虚拟控制量求导过程中产生的高频成分，因而可以简化最终生成的自适应模糊动态面控制器的结构。本实施例的传感器系统采用温度传感器和浓度传感器，滤波器4采用Kalman滤波器，计算机3内含自适应模糊动态面控制软件，执行器10采用气动调节阀。如图1所示，本实施例连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置包括传感器系统1、A/D转换器2、计算机3、滤波器4、模糊逼近器5、参数自适应调整器6、动态面控制器7、D/A转换器8、信号放大器9、执行器10，所述传感器系统1的输出端连接到A/D转换器2的输入端，A/D转换器2的输出端连接到计算机3的输入端，计算机3的输出端连接到滤波器4的输入端，滤波器4的输出端连接到模糊逼近器5、参数自适应调整器6和动态面控制器7的输入端，模糊逼近器5、参数自适应调整器6的输出端也连接到动态面控制器7 的输入端，动态面控制器7的输出端连接到D/A转换器8的输入端，D/A转换器8的输出端连接到信号放大器9的输入端，信号放大器9的输出端连接到执行器10。所述的传感器系统1是温度传感器和浓度传感器。所述的滤波器4是Kalman滤波器。所述的执行器10是气动调节阀。所述的模糊逼近器8能在线逼近系统未建模动态和不确定项。所述的参数自适应调节器6能在线自适应调节系统未知参数。所述的动态面控制器7能产生控制信号， 该控制信号经D/A转换器8后被转换为模拟信号，并经电位信号放大器9增强后输出给执行器10。利用上述连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置的连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制方法，包括以下5个步骤1.通过传感器系统的温度传感器和浓度传感器测量当前连续搅拌反应釜的浓度信息和温度信息，浓度信息包括釜内进料浓度和出料浓度，温度信息包括冷却剂温度、进料温度和出料温度；2.浓度信息和温度信息被转变为模拟电位信号输入到计算机3。计算机3控制A/D转换器2定时采集连续搅拌反应釜的浓度信息和温度信息，采样周期在1 10秒之间。 计算机3将得到的数字信号送给Kalman滤波器，消除掉由噪声等引起的高频信号，而仅保留反应生产过程浓度信息和温度信息的低频部分；3.在模型中使用状态变量Xl和x2，并将其同连续搅拌反应釜浓度和温度变量
权利要求1.连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，其特征在于，包括传感器系统(1)、 A/D转换器O)、计算机(3)、滤波器G)、自适应模糊动态面控制器、D/A转换器(8)、信号放大器(9)和执行器(10)，自适应模糊动态面控制器包括模糊逼近器(5)、参数自适应调整器 (6)和动态面控制器(7)；所述传感器系统(1)的输出端连接到A/D转换器O)的输入端， A/D转换器O)的输出端连接到计算机(3)的输入端，计算机(3)的输出端连接到滤波器 (4)的输入端，滤波器(4)的输出端分别连接到模糊逼近器(5)、参数自适应调整器(6)和动态面控制器(7)的输入端，模糊逼近器( 和参数自适应调整器(6)的输出端均连接到动态面控制器(7)的输入端，动态面控制器(7)的输出端连接到D/A转换器⑶的输入端， D/A转换器⑶的输出端连接到信号放大器(9)的输入端，信号放大器(9)的输出端连接到执行器(10)。
2.根据权利要求1所述的连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，其特征在于，传感器系统(1)包括温度传感器和浓度传感器。
3.根据权利要求1所述的连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，其特征在于，滤波器⑷为Kalman滤波器。
4.根据权利要求1所述的连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，其特征在于，执行器(10)为气动调节阀。
专利摘要本实用新型公开一种连续搅拌反应釜的自适应模糊动态面控制装置，包括传感器系统、A/D转换器、计算机、滤波器、自适应模糊动态面控制器、D/A转换器、信号放大器和执行器，自适应模糊动态面控制器包括模糊逼近器、参数自适应调整器和动态面控制器。本实用新型较为完整的考虑了连续搅拌反应釜自身强非线性、开环不稳定的特点，可以适应反应釜工作点微量漂移的工作环境；能较好的逼近连续搅拌反应釜系统中的未建模动态和不确定项，在线抵消这些因素对闭环系统稳定性的影响，并反推获得简化的自适应模糊动态面控制器，故能提高控制精度，降低反应釜的反应时间。
文档编号G05B13/04GK202230326SQ201120366450
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者刘国英, 平静, 王栋博, 王爱民, 郭涛 申请人:刘国英, 王爱民, 郭涛