[发明专利]一种搅拌反应罐的鲁棒预测控制方法

说明书

本发明公开了一种搅拌反应罐的鲁棒预测控制方法，建立具有时变系数的准线性结构模型；利用所述准线性结构模型时变系数的边界信息，构造出可包裹搅拌反应罐系统未来动态的多面体模型，即状态空间模型；基于所述状态空间模型设计鲁棒预测控制器，利用所述鲁棒预测控制器获得作用于搅拌反应罐系统的最优控制输入量w₁(t)，从而实时调节反应物A的输入流量w₁(t)，达到控制产品C的浓度C_b(t)跟踪设定值的目的。本发明显著增加了鲁棒预测控制器在线优化控制率时的自由度。

技术领域

本发明属于化工生产过程控制领域，涉及一种针对搅拌反应罐的鲁棒预测控制方法，尤其涉及一种基于可变反馈控制率的鲁棒预测控制方法。

背景技术

搅拌反应罐是化工生产中一种常见的设备，广泛存在于医药、食品、石化等化工企业的生产加工中。由于现实生产中的搅拌反应过程通常是复杂的非线性系统，其反应过程往往存在多个中间变量，且各变量间又相互影响，具有很强的非线性。因此，采用机理建模方法来获得反应过程的精确模型往往非常困难。目前，采用基于输入输出数据驱动的系统辨识方法来获得反应过程的模型已成为主要的建模手段。模型预测控制因其控制机理对复杂工业过程系统的广泛适用性，已被广泛应用于各类化工生产过程的控制中。伴随着先进生产过程控制系统对鲁棒性、抗扰性要求的不断提高，目前鲁棒预测控制技术已逐渐成为主流的控制方法。通过对已有技术的检索发现，目前针对搅拌釜式反应过程的鲁棒预测控制方法大多是在已知系统状态工作点信息的前提下设计的控制方法，比如专利200910197512.0、201010616956.6、201310311184.9及201510315584.6等。该类方法需假设系统的稳态平衡点信息已知或可测，而在实际工业系统中，该条件显然无法得到满足。针对系统稳态平衡点信息无法获取的实际搅拌釜式反应过程，“一种一阶连续搅拌釜式反应器的鲁棒预测控制方法”(申请号：201610139588.8)，“一种基于多自由度控制量设计的输出跟踪鲁棒预测控制方法”(申请号：201710339307.8)，分别提出了不依赖系统稳态平衡点信息的鲁棒预测控制方法，但该类方法在设计鲁棒预测控制器时其未来的控制量反馈率是固定不变的。在上述方法中，由于采用了单一的反馈率作为将来的控制策略，其会给后续的预测控制器设计带来很强的保守性。如果能够在线优化得到系统可变的控制率序列，并基于此思想设计后续的控制算法，将显著增加鲁棒预测控制器的自由度，从而大大改善其闭环控制性能，扩大系统的可行域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种搅拌反应罐的鲁棒预测控制方法，增加鲁棒预测控制器在线优化控制率时的自由度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种搅拌反应罐的鲁棒预测控制方法，包括以下步骤：

1)建立如下具有时变系数的准线性结构模型：

其中：C_b(t)是t时刻搅拌反应罐的输出量，即产品C的浓度；w₁(t)是t时刻搅拌反应罐的输入量，即反应物A的流量；ξ(t+1)是包含建模误差和外界不确定扰动的项，且|ξ(t+1)|≤η，η为已知常数；为依赖于状态量s(t)的三次样板基函数结构的时变系数，且状态量s(t)＝C_b(t)；是三次样板基函数的中心，是三次样板基函数的线性权重系数；

2)利用所述准线性结构模型时变系数的边界信息，构造出可包裹搅拌反应罐系统未来动态的多面体模型，即状态空间模型；

3)基于所述状态空间模型设计鲁棒预测控制器，利用所述鲁棒预测控制器获得作用于搅拌反应罐系统的最优控制输入量w₁(t)，从而实时调节反应物A的输入流量w₁(t)，达到控制产品C的浓度C_b(t)跟踪设定值的目的。

步骤2)的具体实现过程包括：