[发明专利]一种化工间歇过程控制系统稳定性保持方法

说明书

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种化工间歇工业过程中控制系统稳定性保持方法。

背景技术

近年来，由于制造业的快速发展，批量加工模式已经取得了很大的发展。在实际生产过程中，由于设备老化、操作不当等原因，系统不可避免地会发生一些问题，如果这些问题没有被检测到并及时排除，系统性能和生产效率以及产品质量将随着时间的推移而下降，更严重的是，它可能对生产人员的人身安全构成威胁，因此，对系统故障的研究已经成为控制领域最热门的研究方向之一。如果调节机构出现问题，控制器就失去了调节的能力，最终会影响产品质量。因此，当发生故障时，仍然使系统保持稳定状态，保持控制器的调节性能具有重要意义。

目前，一些学者提出了一些控制方法，在系统处于可以恢复的波动状态时，利用间歇过程的特性使系统继续保持稳定状态，继续保持良好的控制性能。然而，现有的控制理论讨论的主要是一个方向上的控制，没有考虑运行时间这一重要的影响因素，导致控制系统存在一定的延迟，这降低了化工间歇过程的生产效率，加大了控制器故障的风险。因此，提出一种更加可靠的控制方法是必要的。

发明内容

本发明针对目前化工间歇过程研究中存在的未考虑运行时间以致加大故障发生的风险，降低生产效率的不足之处，提出了一种新型的控制系统稳定保持方法。

本发明首先应用系统转换的相关理论，建立不同大小的状态模型，通过相邻阶段之间的关系构造对应的转换序列和状态矩阵，然后设计了与状态相关的转换信号，建立了保证指数稳定的充分条件，设计了可靠的控制法，实现了控制系统在运行时间下界稳定运行的充分条件。

本发明的技术方案是通过数据采集、模型建立、控制器设计、周期循环、优化等手段，确立了一种化工间歇过程的新型稳定性保持控制策略，改善了系统整体的控制性能。

本发明方法的步骤包括：

步骤1：针对传统控制策略存在的未考虑运行时间的不足之处，设计新型的控制模型，具体为：

1.1用数学方程描述化工间歇过程系统的动态变化

t＝0,1,2,LT_k；k＝1,2,L K^k

其中，t和k分别是时间步长和周期索引，x(t,k)∈Rⁿ，u(t,k)∈R¹，y(t,k)∈R¹分别表示在周期过程中第k个周期t时刻的状态，输入和输出，x(t+1,k)表示周期过程中第k个周期t+1时刻的状态。T_k表示第k个周期的持续时间，K_k表示达到最优控制律需要的周期数。A_σ(t,k)，B_σ(t,k)，C_σ(t,k)分别表示对应维数的常量矩阵，w_σ(t,k)表示未知的扰动。σ(t,k)表示一个转换信号。这里，转换条件满足

其中，σ(0,k)≡1表示系统转换有固定的顺序，且每一次周期处理过程都从阶段一开始。G_σ(t,k)+1(x(t,k))<0表示只要在某一个时间点满足这个条件，系统状态就会发生转换。

1.2引入满足转换条件的时间变量

其中，是第k个周期第i阶段的转换时间，是第k个周期第i-1阶段的转换时间，G_i(x(t,k))<0表示转换条件，表示初始转换时间。

1.3将步骤1.1中的方程重写为：

其中xⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的状态。xⁱ(t+1,k)表示第k个周期第i阶段t+1时刻的状态。Aⁱ,Bⁱ,Cⁱ分别表示对应维数的常数矩阵。uⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的输入，yⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的输出。wⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的未知扰动。

1.4引入跟踪误差误差变量来修正控制系统的偏差

其中，eⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的跟踪误差。表示第k个周期第i阶段t时刻的参考输出，yⁱ(t,k)表示第k个周期第i阶段t时刻的实际输出。

1.5引入状态误差变量来修正控制系统的偏差