[发明专利]基于微分平滑的连续搅拌釜式反应器系统的扰动观测方法

说明书

本发明公开了一种基于微分平滑的连续搅拌釜式反应器系统的扰动观测方法，并在各种条件下验证了该方法在CSTR系统中的观测效果。主要步骤为：1、建立CSTR系统动力学模型，选择一个平滑输出量，使得系统输入能由平滑输出量和它的各阶导数所表达；2、利用积分方法与比例增益k₁和k₂估计平滑输出量和它的各阶导数，从而得到系统输入的估计值；3、将系统输入估计值与实际值作差来获得扰动的估计值；4、将所得到的扰动估计值前馈给CSTR系统的控制输入端，补偿掉实际扰动。本发明的主要优点是仅需要系统输出和控制输入信号，不需要对系统状态进行测量。

技术领域

本发明是一种基于微分平滑的CSTR系统的扰动观测方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，简称为CSTR)在实际工业过程中是一种常见的化学反应器，由于其热交换能力强、产品质量稳定和低成本等优点，在化工生产的核心设备中占有重要地位，被广泛应用于染料、医药试剂、食品及合成材料等工业生产中。

注意到，CSTR系统工作范围大，设定值变化大，呈现着很强的非线性特性。对于这类非线性化工过程，除非线性调节器的参数整定得很保守，否则控制品质将会显著恶化。鉴于此，对于大部分的非线性化工过程，必须采用非线性控制方法，例如滑模控制、智能算法和鲁棒自适应控制等等。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。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于微分平滑的CSTR系统的扰动观测方法。该方法通过构造一类只需要输出信息和控制输入信息的新型扰动观测器来估算CSTR系统中的扰动，再将此得到的扰动估计量前馈给控制输入端并将其补偿掉，从而来削弱扰动对CSTR系统的稳定性影响。

本发明的技术方案为：一种基于微分平滑的CSTR系统的扰动观测方法，包括以下步骤：

建立CSTR系统动力学模型，选择一个平滑输出量，使得系统输入能由平滑输出量和它的各阶导数所表达；利用积分方法与比例增益k₁和k₂估计平滑输出量和它的各阶导数，从而得到系统输入的估计值；将系统输入估计值与实际值作差来获得扰动的估计值；将所得到的扰动估计值前馈给CSTR系统的控制输入端，补偿掉实际扰动。

进一步，步骤1中，建立CSTR系统动力学模型表达式为：

其中，x₁是化学反应浓度，x₂是反应器温度，u是初始时的反应输入浓度，γ、D_a和β均为系统系数，d(t)是外界扰动，e是自然常数。

进一步，选择一个平滑输出量，使得系统输入能由平滑输出量和它的各阶导数所表达的方法为：

步骤1.1.选择平滑输出变量z＝x₂；

步骤1.2.由步骤1.1和CSTR系统的数学模型表达式得到：

步骤1.3.由步骤1.2的式子求导得到：

步骤1.4.再由CSTR系统的数学模型表达式得到：

步骤1.5.将步骤1.2的式子和步骤1.3的式子代入步骤1.4的式子得到：

其中，由平滑输出以及其导数构成，表示系统输入。

进一步，利用积分方法与比例增益k₁和k₂估计平滑输出量和它的各阶导数为从而系统输入的估计值为：