一種多級攪拌反應器的分布式控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自動化技術，具體涉及一種多級攪拌反應器的分布式控制方法。
【背景技術】
[0002] 攪拌反應器是用于使液體或氣體均勻混合的常用反應裝置，被廣泛應用于化工、 醫藥、發酵等化學合成過程。在連續生產過程中為提高反應效率常采用多個級聯的攪拌反 應器。這類多級化學反應系統具有很強的非線性和時滯性，采用單一的集中式控制器很難 達到理想的控制效果。
[0003] 分布式控制指在一個生產過程中采用多個控制器對各個控制點進行控制，各控制 器之間通過網絡傳達數據和操作指令。相比于傳統的集中式控制，分布式控制具有可靠、開 放、靈活、協調和易于維護等特點。在分布式控制系統中，各子控制器承擔的任務相對具體， 可以針對實際需求采用特定硬件和軟件的專用計算機，從而提升系統的控制效果。另一方 面，網絡通信技術和計算機技術的迅猛發展也為分布式控制系統在工業中的應用提供了必 要的條件。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在克服現有集中式控制系統存在的不足，提出一種可靠、靈活、協調性強 的多級攪拌反應器的分布式控制方法。
[0005] 所述分布式控制系統的結構如圖1所示，其中的被控對象是由多個攪拌反應器級 聯而成的系統，分布式控制器包含多個子控制器，將每個反應器作為一個控制點分別配置 一個子控制器加以監測和控制，每個子控制器包涵傳感、計算和通信模塊，各子控制器通過 網絡傳輸數據和控制指令。
[0006] 所采用控制方法的實施步驟如下：
[0007] 1)建立多級攪拌反應器系統的描述模型，不失一般性，考慮由N個反應器級聯而成 的系統，建立其描述模型如下：
[0008]
[0009] 如式（1)所示的離散狀態空間模型中，時間變量k表示第k個單位周期，下標i和下 標j用于表示反應器集合或子控制器集合中的第i個或第j個元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第 i個反應器的狀態向量，m是第i個分布式控制器輸出的控制信號，Vl是外界的擾動信號，函 數g()用于描述了每個反應器的參數攝動，時延因子cU(k)具有上界cU和下界d 2。矩陣Au， Aij，Bi，Ei，W〇i，Wii是系統的系數矩陣。
[0010] 2)每個分布式控制器根據如式(2)所示的算法計算控制信號：
[0011]
[0012]其中k是待設計的控制器參數矩陣，參數&1謙示分布式控制器之間的鄰接關系， 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^ = 0,參數aj(k)表示控制器j 的信息成功傳輸的概率，Ι:ι、α/(^ = α,^函數Qj〇表不子控制器j中量化器的量化規則：
[0013]
[0014] 上式中，變量τ表不量化器的輸入信號，參數
表不子控制器i中量化器 的誤差界，參數Ρ:是對應量化器的量化密度，參數^是對應量化器的量化級。
[0015] 3)根據如下算法設計控制器參數:對于給定的系統（1)，通過求解式(4)和(5)計算 控制器參數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},
，
是由步驟1)和步驟2)中所述系數 矩陣、參數和變量構成的矩陣，它們的具體結構和其中的元素定義如下：
[0019] - __
，對稱正 定矩陣P，T，Q和正標量，&是式(4)和式(5)求解過程中定義的任意中間變量，I表示適當 維數的單位矩陣，S()表示克羅內克函數，函數diag{}表示以給定的元素構建分塊對角矩 陣。
[0020] 本發明的優點是:所提控制方案可靠、靈活、協調性強且易于維護。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明所述分布式控制系統的結構圖。
[0022] 圖2是本發明所述二級攪拌反應器控制系統的示意圖。
[0023] 圖3是本發明所述二級攪拌反應器的控制效果圖。
【具體實施方式】
[0024] 為更直觀的說明本發明的方案和優勢，下面結合附圖及實施例對本發明的技術方 案作進一步描述。
[0025] 考慮由兩個反應器組成的系統，如圖2所示，反應器1的輸入包含流速Fo,摩爾濃度 Cao,溫度To的原料以及來自反應器2的流速為Fr，摩爾濃度為CA2,溫度為^的回收再利用的 反應材料，反應器2的輸入也包含原料及來自反應器1的回收材料。
[0026] 該系統的動態特性如下：
[0027]
[0028] 上式中：
，
，
，分別為熱含量，指數系數常量和反應的激活能，其中的系數i = 1，2，3，cdPp則分別是
熱容量和反應中的流體密度，系統的具體參數由表1給出。
[0029] 表1二級攪拌反應器的參數
[0032] 選取工作點
，對系統
[0030]
[0031] (6)進行線性化，可得如下線性系統：
[0033]
(7)
[0034] 其中，系統的狀態向量
_，系統的輸入向量
。根據表1中的參數，計算可得式（7 )的參數矩陣
[0035] 選取采樣周期Ts = 0.0025h，將系統(7)離散化后可得：
[0036]
[0037] 上式中參數矩陣
，
〇
[0038] 給定參數豕& = 〇.7，01 = 〇.9，02 = 〇.7，根據步驟2)所述方法，求得控制器 參數為：
[0039]
=
[0040] 根據求得的控制器參數按式(2)生成控制信號對系統(8)進行控制，控制效果如圖 3所示，其中xlcjPxlc2是反應器1的狀態，x2cdPx2c 2是反應器2的狀態，由圖3可知，本發明 所提的方法可以實現較好的控制效果。
【主權項】
1. 一種多級攪拌反應器的分布式控制方法，針對由多個攪拌反應器級聯而成的系統， 將每個反應器作為一個控制點分別配置一個子控制器加以監測和控制，每個子控制器包涵 傳感、計算和通信模塊，各子控制器通過網絡傳輸數據和控制指令，其特征在于該方法在實 施過程中包括以下技術步驟： 1) 建立多級攪拌反應器系統的描述模型，不失一般性，考慮由N個反應器級聯而成的系 統，建立其描述模型如下：如式（1)所示的離散狀態空間模型中，時間變量k表示第k個單位周期，下標i和下標j用 于表示反應器集合或子控制器集合中的第i或第j個元素且i，j = 1，2，…，N，Xl是第i個反應 器的狀態向量，m是第i個分布式控制器輸出的控制信號，V1是外界的擾動信號，函數g()用 于描述了每個反應器的參數攝動，時延因子di(k)具有上界di和下界d2。矩陣Aii，Aij，Bi，Ei， W 0i，Wu是系統的系數矩陣； 2) 每個分布式控制器根據如式(2)所示的算法計算控制信號：其中Klj是待設計的控制器參數矩陣，參數表示分布式控制器之間的鄰接關系，即， aiJ = l表示子控制器i可以接收子控制器j的信息，反之，出產0,參數aj(k)表示控制器j的信 息成功傳輸的概率，函數表示子控制器j中量化器的量化規則：上式中，變量τ表不量化器的輸入信號，參數表不子控制器i中量化器的誤差 界，參數Pi是對應量化器的量化密度，參數Kj是對應量化器的量化級； 3) 根據如下算法設計控制器參數，對于給定的系統（1)，通過求解式(4)和(5)計算控制 器參數Kij:是由步驟1)和步驟2)中所述系數矩陣、參數和變量構成的 矩陣，它們的具體結構和其中的元素定義如下：對稱正定矩陣P，T，Q和 正標量ε A1A2是式(4)和式(5)求解過程中定義的任意中間變量，I表示適當維數的單位矩 陣，S()表示克羅內克函數，函數diag{ }表示以給定的元素構建分塊對角矩陣。
【專利摘要】一種多級攪拌反應器的分布式控制方法，針對由多個攪拌反應器級聯而成的系統，將每個反應器作為一個控制點分別配置一個子控制器加以監測和控制，每個子控制器包涵傳感、計算和通信模塊，各子控制器通過網絡傳輸數據和控制指令，包括以下技術步驟：1)建立多級攪拌反應器的描述模型；2)計算分布式控制器的參數；3)按規則配置分布式控制器，生成控制信號，實現對系統的控制。所述分布式控制方法具有可靠、靈活、協調性強和易于維護等特點。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105487380
【申請號】CN201511008202
【發明人】馮宇, 凌榮耀, 張丹, 張文安, 黃延昱
【申請人】浙江工業大學
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月29日