一种CSTR系统的扰动补偿控制方法与流程

本发明是一种cstr系统的扰动补偿控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术：

连续搅拌釜式反应器(cstr)是一种常见的过程工业设备，由于反应釜内化学反应的多样性和复杂性，一般常规的pid控制已不能满足要求。进而产生了许多已经被运用于cstr控制系统中的控制方法，例如预测控制、模糊控制和自适应控制等等。但是这些控制方法往往会受到外界扰动的影响，导致系统的动态和稳态性能差。

值得提出的是，在实际的控制系统中，为削弱系统外界扰动的影响，引入观测器进行扰动补偿往往是较为常用的方法。本发明拟采用新型扰动观测技术对cstr系统进行扰动观测，并对cstr系统进行扰动补偿，从而达到削弱扰动的目的。需要注意的是，传统状态观测器一般需要状态量为条件，才能得到观测量。而本发明提出的扰动观测器只需要输入量即可，设计简单，容易实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于输入输出模型的新型扰动观测器的cstr系统扰动补偿控制方法。该方法通过构造一类只需要输出信息的新型扰动观测器来估算cstr中的扰动，再将此得到的扰动估计量前馈给控制输入端将其补偿掉，从而来削弱扰动对cstr系统的稳定性影响。

一种cstr系统的扰动补偿控制方法的实现，所述方法的实现过程包括以下步骤：

步骤一、建立cstr系统的数学模型，建立扰动与反应器温度的输入输出模型；

步骤二、基于步骤一中的输入输出模型，构造此输入输出模型的辅助系统，并确定该辅助系统的输入输出；

步骤三、基于步骤一中的输入输出系统和步骤二中的辅助系统来确定扰动的观测值；

步骤四、将步骤三所得到的扰动观测值前馈给cstr系统的输入端并将其补偿掉，从而来削弱扰动对cstr系统的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

进一步地，建立cstr系统的数学模型为：

其中，x1是化学反应浓度，x2是反应器温度，x3是冷却套管温度，u1是初始时的反应浓度，u2是初始时的反应器温度，u3是初始时的冷却套管温度，是一动力学常数，q、qc和δ1均为系统系数，d(t)是外界扰动。

进一步地，由(1)式可以得到由x2和x3来表示x1：

进一步地，由(2)式求导可以得到：

进一步地，再由(1)式得到：

进一步地，将(3)式代入(4)式可以得到：

进一步地，由式(5)整理得到cstr系统中的扰动与反应器温度之间的输入输出数学关系式为：

为了估算扰动d(t)，构建如下的扰动观测：

其中，h＝k(x2-z1)，且动态z1满足以下约束方程：

式(8)即为建立的步骤二中的辅助系统。其中，z1是新型扰动观测器观测到的扰动；在此辅助系统中，其输入是h，输出是z1；控制输入为h＝k(x2-z1)。

通过式(7)，结合以上推导，可以实现对cstr系统的扰动观测。

进一步地，由于实际扰动是与控制输入u1一起被作用于cstr系统中的，所以将此扰动观测值直接反馈给cstr系统控制输入u1端，形成闭环控制，将实际扰动补偿掉，从而削弱扰动对cstr系统稳定性的影响，其原理框图如图2所示。

本发明具有的有益效果在于：

(1)传统状态观测器理论比较成熟，算法也比较简单，但其在控制精度上有一定保守性，该新型扰动观测器精度调节方便，只需要调节增益k,就可以调节其观测性能。

(2)该新型扰动观测器适用范围广泛，且该新型扰动观测器不像现有状态观测器那样需要状态量，该新型扰动观测器的构造基于单输入单输出系统，只需要输出量即可，不需要其它的状态变量。

(3)本发明方法相比于现有方法大大简化和优化，易于实现，具有较强的抗负载能力，提高了系统性能，实现了较好的控制效果。

附图说明

图1是cstr系统示意图；

图2是cstr系统设计方案的结构图；

图3是cstr系统仿真搭建图；

图4是本发明系统的新型观测器原理应用图；

图5是cstr系统扰动观测图；

图6是cstr系统扰动的观测误差；

图7是cstr系统无扰动补偿时的状态图；

图8是cstr系统有扰动补偿时的状态图；

图9是cstr系统扰动观测的结构图。

具体实施方式

下面结合附图、cstr系统的具体参数和仿真波形对本发明作进一步说明。

为了更清楚地说明本发明的技术方案，将对照cstr的一组具体参数和其在matlab软件中的仿真结果具体说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述的仅仅是针对的一个具体的cstr系统，对于本领域技术人员来讲，如果使用该方法进行扰动观测，还应针对具体应用的cstr系统的参数进行分析运算。

仿真实验采用的cstr系统示意图如图1所示。设置该cstr系统的参数分别是q＝1,qc＝0.28,δ1＝10,u1＝1,u2＝0,u3＝-1。在此仿真实验中，cstr系统的初始状态分别被选为x1(0)＝0.58,x2(0)＝2.67,x3(0)＝0.12，并假设扰动d(t)被给为如下形式：

基于上述系统，下面通过具体实施解释本发明对cstr系统的扰动观测方法：

步骤一、根据已给cstr系统的具体参数，在此基础上确立采用的cstr系统的数学模型为：

图3为该cstr系统参数下，在仿真实验中搭建的cstr系统图。

步骤二、确立应用在该具体cstr系统上的新型扰动观测器的辅助系统；

进一步地，式(8)整理为：

利用式(9)，即可构建该扰动观测器的辅助系统。

步骤三、确定扰动的观测值

进一步地，式(7)整理为：

其中，h＝k(x2-z1)，且动态z1由式(9)产生。图9为该cstr系统扰动观测的结构图。

图4为该cstr系统参数下，在仿真实验中搭建的该新型扰动观测器的原理框图。

步骤四、通过仿真对比，验证该新型扰动观测器的观测效果以及其对cstr系统稳定性的影响

进一步地，新型扰动观测器的增益k值越大，其扰动观测的精度越高，估计的扰动越接近真实的扰动，但其带来的抖振也越大，本发明选取k的取值范围为50-90，优选增益k值为69，在提高观测扰动精度的同时，能够克服抖振。假设给定以下形式的扰动：

观测到的波形如图5所示。为进一步验证观测到的扰动是否与实际扰动相近，给出扰动的观测误差图，如图6所示。

进一步地，观测出扰动，且引入扰动补偿后，通过图7和图8的比较可以发现，有扰动补偿的cstr系统的稳定性得到了显著提高。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。