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串级连续搅拌反应釜的有限时间命令滤波控制

串级连续搅拌反应釜的有限时间命令滤波控制

作者：曹荣彬辽宁科技大学

学位级别：硕士

由于串级连续搅拌反应釜(CSTR)操作简单,反应充分,易于控制,其已成为化工、生化工业中最重要的核心设备之一。但由于反应釜具有高阶复杂非线性动力学特性、强耦合性、时变性和不确定性,给控制器的设计带来困难。为此本文以串级连续搅拌... 详细信息

由于串级连续搅拌反应釜(CSTR)操作简单,反应充分,易于控制,其已成为化工、生化工业中最重要的核心设备之一。但由于反应釜具有高阶复杂非线性动力学特性、强耦合性、时变性和不确定性,给控制器的设计带来困难。为此本文以串级连续搅拌反应釜控制为研究对象,采用反步法控制,以命令滤波有限时间控制技术和模糊逻辑为方法,设计串级连续搅拌反应釜的有限时间命令滤波控制器和有限时间命令滤波容错控制器。论文的主要研究内容包括以下三个方面:第一,构建了串级连续搅拌反应釜的数学模型,基于反步法设计了控制器。首先,基于反应釜动力学原理构建了串级连续搅拌釜的数学模型,并在该模型的基础上,构建了误差方程。运用反步法设计了串级连续搅拌反应釜控制器,并基于Lyapunov函数证明了控制器的稳定性。随后,通过仿真证明了该方法的有效性。最后,分析传统反步法中存在的“微分爆炸”问题和收敛速度慢的问题,为后续的改进打下基础。第二,为了提高串级连续搅拌反应釜的跟踪精度和速度,提出一种有限时间命令滤波控制器设计方法。采用命令滤波控制技术,同时引入误差补偿信号,构造Lyapunov函数,有效的解决了传统反步法中的“微分爆炸”问题;引入有限时间控制方法提高了系统的跟踪速度。最后通过仿真验证了本文设计的控制器的有效性和可行性。第三,针对传感器存在固定偏差故障和失效故障时,提出一种自适应模糊有限时间控制器设计方法。考虑到串级连续搅拌反应釜在工作中检测元件有可能发生故障,本文引入模糊逻辑逼近传感器故障及系统中的未知参数,并结合有限时间控制和命令滤波技术设计自适应有限时间容错控制器。仿真结果表明本文算法无论传感器发生故障与否,都能达到稳定状态。本文提出的自适应命令滤波容错控制的性能均优于有限时间命令滤波控制,均能收敛到原点附近的一个领域内。

关键词：串级连续搅拌反应釜反步法控制有限时间命令滤波控制容错控制模糊逻辑系统

基于观测器的串级连续搅拌反应釜有限时间命令滤波控制

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控制工程 2023年第7期30卷 1248-1258页

作者：张静辛丽平单文悦刘家硕青岛理工大学信息与控制工程学院山东青岛266525

针对串级连续搅拌反应釜中浓度和温度的测量问题,提出了基于观测器的有限时间命令滤波控制方法。在观测器的基础上,将有限时间控制与命令滤波相结合,为串级连续搅拌反应釜系统设计控制器。首先,利用模糊逻辑系统逼近非线性函数,利用命... 详细信息

针对串级连续搅拌反应釜中浓度和温度的测量问题,提出了基于观测器的有限时间命令滤波控制方法。在观测器的基础上,将有限时间控制与命令滤波相结合,为串级连续搅拌反应釜系统设计控制器。首先,利用模糊逻辑系统逼近非线性函数,利用命令滤波技术解决反步法中“计算爆炸”的问题,并引入误差补偿信号来消除静态误差;然后,利用有限时间控制实现反应过程的快速精准控制;之后,利用观测器对系统中生成物和反应物的浓度、温度等状态变量进行估计;最后,利用李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,该方法具有较好的控制性能且获得了精准的观测效果。

关键词：串级连续搅拌反应釜观测器自适应模糊控制命令滤波有限时间

考虑输入饱和的串级连续搅拌反应釜命令滤波离散控制

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考虑输入饱和的串级连续搅拌反应釜命令滤波离散控制

作者：刘家硕青岛理工大学

学位级别：硕士

串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTR... 详细信息

串级连续搅拌反应釜(cascade continuous stirred tank reactors,CCSTRs)凭借其成本低、换热能力强、操作简单等优点,被广泛应用于众多化工生产过程中。然而CCSTRs系统为具有大时滞性、时变性和不确定性等复杂特性的非线性对象,当CCSTRs系统运行过程中受到外部扰动,导致系统的反应温度、浓度振荡幅度过大或者稳定范围过小,将会降低CCSTRs控制系统的稳定性,甚至会出现系统失控的风险,而传统的控制技术诸如PID(或改进PID)技术难以实现良好的动静态控制性能。因此,有必要为CCSTRs系统设计一种新的实用性强、高效的控制器,从而为企业提高生产效率、提升经济效益提供技术支持。此外,随着科学技术的日渐完善,数字计算机行业迅速发展,而离散控制方法凭借其稳定性好、可实现强等优势在数字计算机领域得到了广泛应用,因为与连续控制方法相比,离散控制通过引入采样的方式更易于描述实际问题,更贴近于实际工程应用。因此,本文针对考虑输入饱和约束的CCSTRs系统,借助模糊自适应反步命令滤波控制技术,基于实际不同的应用场景,分别设计了CCSTRs离散控制器,实现了CCSTRs系统的反应物浓度、温度的跟踪控制。主要研究成果如下:(1)本文以CCSTRs为控制对象,设计了考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器。利用输入饱和函数将输入信号限制在一定的范围内,提高了系统的控制性能,降低了可实现成本,更贴近于实际应用;借助模糊自适应控制方法和反步法处理系统中存在的非线性项,简化了控制器的设计过程,缩减了系统运行过程中的计算量;结合命令滤波技术和误差补偿机制,规避了虚拟控制函数复杂求差分过程,克服了“因果矛盾”问题,减小乃至消除了静态偏差,提高了系统的控制精度。通过仿真结果验证了本文所提出的控制策略具有更好的控制性能。(2)本文进一步考虑由于系统反应过程中受到各种环境因素的影响诸如外部噪声干扰或湿度等因素导致传感器性能降低和因成本限制温度、浓度传感器无法正常安装等情况,设计了基于观测器并考虑输入饱和的CCSTRs命令滤波离散控制器,通过自适应观测器来实时监测产物和反应物温度、浓度的动静态过程,节约了实现成本,更易于在工程中实现。仿真结果表明了所提出的控制器的优越性。(3)本文同时考虑CCSTRs离散系统中存在的自适应律以及实际控制律频繁更新现象,提出了一种考虑输入饱和的命令滤波事件触发控制新策略。通过在传感器与控制器之间引入事件触发机制,设定触发条件来判断控制信号是否需要更新,从而降低了触发次数,避免了多余信号的传输,减少了控制器的更新频率,降低了计算量,提高了资源的利用率。通过进一步仿真验证了该控制策略是有效可行的,具有一定的实用价值。

关键词：串级连续搅拌反应釜离散控制输入饱和函数自适应观测器事件触发机制命令滤波反步控制

基于反步法的串级连续搅拌反应釜离散时间模糊自适应控制

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青岛理工大学学报 2021年第5期42卷 73-81,103页

作者：刘家硕辛丽平孔晓涵青岛理工大学信息与控制工程学院青岛266525

针对串级连续搅拌反应釜离散时间系统,基于欧拉法、自适应反步控制方法、模糊逻辑系统及李雅普诺夫稳定性分析设计了模糊自适应控制器。欧拉法对连续搅拌反应釜动态数学模型进行离散化处理;利用模糊逻辑系统的逼近特性去近似系统中存在... 详细信息

针对串级连续搅拌反应釜离散时间系统,基于欧拉法、自适应反步控制方法、模糊逻辑系统及李雅普诺夫稳定性分析设计了模糊自适应控制器。欧拉法对连续搅拌反应釜动态数学模型进行离散化处理;利用模糊逻辑系统的逼近特性去近似系统中存在的非线性函数,减少在线计算量;自适应反步控制方法简化了控制器的设计过程;利用差分李雅普诺夫函数证明了闭环系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,所提出的控制方案能够保证闭环系统所有的信号都是最终有界的,跟踪误差也能收敛到一个无限接近于零的领域内,验证了所设计控制器的有效性。与现有控制方法相比,该控制方法不仅能够克服系统中存在的非线性问题,还具有在线计算量小、控制器结构简单的优点。

关键词：自适应反步控制离散时间系统串级连续搅拌反应釜模糊逻辑系统

考虑约束条件的串级连续搅拌反应釜的自适应命令滤波控制

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青岛理工大学学报 2021年第5期42卷 62-72页

作者：于波辛丽平刘家硕青岛理工大学信息与控制工程学院青岛266525

提出了串级连续搅拌反应釜(CCSTRs)的具有输入输出约束的模糊自适应命令滤波控制,采用模糊逻辑系统克服系统动力学模型的非线性;借助命令滤波技术简化控制器的结构,从而减少控制器的在线计算量;利用Barrier Lyapunov函数(BLF)和输入饱... 详细信息

提出了串级连续搅拌反应釜(CCSTRs)的具有输入输出约束的模糊自适应命令滤波控制,采用模糊逻辑系统克服系统动力学模型的非线性;借助命令滤波技术简化控制器的结构,从而减少控制器的在线计算量;利用Barrier Lyapunov函数(BLF)和输入饱和函数对系统的输入、输出进行约束;Lyapunov稳定性分析保证了闭环系统的稳定性和系统信号的有界性;Simulink模拟仿真验证了所提控制器能使输出信号精准快速地跟踪参考信号。与现存的控制器相比,该控制器结构简单、控制精度高,由于考虑了系统的输入、输出约束,更贴近于实际工业过程。

关键词：串级连续搅拌反应釜自适应反步法命令滤波控制 Barrier Lyapunov函数输入和输出约束