基于事件触发的苯乙烯聚合过程分子量分布控制研究

作     者：吴旭栋 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：裔扬;杨杰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：苯乙烯聚合过程 事件触发控制 分子量分布控制 干扰观测器 Zeno现象 

摘      要：随着新能源行业的快速发展,对苯乙烯及其化工衍生材料的生产过程提出了更高的要求,主要包括产品的物化性能以及合理的成本控制等。其中,苯乙烯的分子量分布(MWD)是反映其物化特性的一个重要指标。因此,对苯乙烯聚合过程展开建模、控制和优化的研究受到过程控制以及化工领域的广泛关注,具有重要的实际应用价值。另一方面,由于化工过程的复杂性,特别多信息源产生了大量的传输数据,过多的占用信道资源,造成数据冗余以及系统性能降低等问题,严重时甚至失去稳定性。相比较传统的时间触发,事件触发机制的基本思想是按需执行数据传输,只有在满足预设触发条件的情况下才启动触发器,是当前减少数据冗余的可靠方案之一,也成为自动控制领域研究的热点。基于此,论文以苯乙烯分子量分布作为具体研究对象,分别从B样条逼近原理以及统计信息控制理论框架出发,结合干扰观测器设计方法,研究了事件触发框架下的苯乙烯分子量分布动态建模、抗干扰控制以及性能分析等问题,保证苯乙烯聚合过程的稳定性和鲁棒性,降低信道资源利用率进而实现对成本的控制,具有积极的理论意义和应用价值。论文的主要内容包括如下:(1)针对典型的苯乙烯聚合过程,阐述了研究事件触发条件下分子量分布控制的背景及意义。进而,分别讨论了随机分布控制(SDC)、统计信息控制、抗干扰控制及事件触发控制的研究现状。进一步,给出论文的结构和内容安排。(2)研究苯乙烯聚合过程的反应机理以及分布函数建模问题。基于聚合过程参数化机理方程,引入先验分布函数,即三参数Gamma分布。一方面,在B样条近似模型的驱动下,将数据转化为相应的权向量和控制输入的数据对,通过递推最小二乘辨识得到系统参数矩阵,进而建立控制输入与权向量之间的动态模型;另一方面,在统计信息研究的框架下,以三参数Gamma分布的三个中心矩构成统计信息集合(SIS),进而得到统计信息集与控制输入的数据对,用于辨识参数矩阵,同样可以构建控制输入与统计信息集之间的动态模型。(3)研究事件触发条件下苯乙烯聚合过程分子量分布抗干扰控制问题。基于控制输入与权向量之间的动态模型,结合外延干扰模型,构建干扰观测器对未知干扰进行动态估计。基于预设的事件触发条件以及干扰估计值,设计触发条件下的复合抗干扰控制输入,在降低数据传输量的基础上,保证闭环控制系统的稳定性和干扰估计性能。利用凸优化理论,证明权向量具有良好的动态跟踪性能,进而得到期望的分子量分布。最后,验证所设计算法避免由触发引起的Zeno现象。(4)研究双事件触发条件下苯乙烯聚合过程的统计信息抗干扰控制问题。基于数据驱动的统计信息控制框架,将统计信息集合作为具体的控制对象。不同于单一的事件触发问题,分别基于统计信息以及干扰估计设计触发条件,基于“先到同触发的运行机制,设计带有PI结构的抗干扰控制输入,以实现对动态系统的控制及干扰补偿。进一步,基于凸优化理论以及对最小触发间隔下界的证明,验证了闭环系统具有良好的稳定性、统计信息跟踪性能以及能够避免的Zeno现象。(5)研究算法的仿真实现问题。基于苯乙烯聚合过程建模的两种动态模型,分别考虑单触发及双触发条件,结合Matlab/Simulink动态仿真平台以及LMI工具箱,对控制器及其相关算法进行模拟仿真,仿真结果验证了设计算法的可行性。