基于扰动观测器设计的化工聚合过程抗干扰分布控制

作     者：顾翔 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：裔扬;管振辉

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：苯乙烯本体聚合系统 抗干扰控制 干扰观测器 执行器饱和 分子量分布控制 

摘      要：伴随着经济的快速发展,对各类化工产品的需求与日俱增。高分子材料作为化工产业的重要组成,如何实现其高效聚合受到越来越多的关注。其中,分子量分布作为高分子聚合物的重要参量决定了产品的性质,是过程控制的关键因素。同时,高分子聚合也是相当复杂的化工业生产过程,具有非高斯、非线性、多耦合的特点,也容易受到各类因素的干扰,导致分子量分布的改变,进而影响聚合物特性。因此,研究非高斯聚合过程的抗干扰控制技术,获得理想性质的化合物一直是化工生产行业的难题,也是控制工程领域的热点。论文以苯乙烯本体的聚合过程作为研究对象,考虑外部干扰和非线性饱和的影响,同时基于扰动观测器(DO)设计、凸包表示法以及凸优化算法,设计复合抗干扰跟踪控制输入,保证苯乙烯本体聚合过程的稳定性能,进一步得到期望的苯乙烯分子量分布。论文主要内容如下:(1)结合苯乙烯聚合过程,阐述了分子量分布控制的研究背景和意义以及经济价值;进一步介绍了随机分布控制理论的发展和基于干扰观测器的抗干扰控制方法。(2)基于苯乙烯聚合反应原理的参数化模型,获得其分子量分布;引入B样条函数对系统输出的分子量分布函数进行逼近,计算相应的动态权向量;进一步基于输入输出数据对,结合递推最小二乘法获得系统的参数矩阵,构建出权向量和控制输入之间的状态空间模型。(3)基于苯乙烯聚合反应状态空间模型,研究干扰影响下的抗干扰控制算法设计。结合聚合系统模型以及外延干扰模型,构建干扰观测器对未知干扰动态估计。进一步,将PI型反馈控制和干扰估计信息相结合,设计复合控制器,保证闭环控制系统稳定,且跟踪上理想权向量,进而得到期望的分子量分布。(4)基于苯乙烯聚合反应状态空间模型,在系统状态已知和未知两种情况,研究未知干扰以及执行器饱和影响下的聚合系统抗干扰控制问题。在状态已知的条件下,构建干扰观测器实时估计干扰并结合凸包表示法处理饱和约束。在状态未知的条件下,构建复合分层观测器,分别针对未知状态和未知干扰进行动态估计,同时采用扇区边界条件解决执行器饱和的现象。进一步,基于凸优化理论,验证控制系统具有的良好稳定性能以及动态跟踪性能,并获得理想的分子量分布。(5)以上算法均通过Matlab/Simulink仿真得以实现。考虑在谐波干扰和执行器饱和的影响下,实现对苯乙烯本体聚合过程的抗干扰控制,验证了算法的有效性,获得了良好的控制效果。