本发明专利技术公开了一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，首先对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型，其次采用PID闭环控制的控制策略对系统进行动态响应性能测试，PID参数通过MATLAB的NCD模块进行优化，最后采用二分法结合系统的动态响应性能测试结果对系统所能耐受的最大时滞值τmax进行求解，本发明专利技术可以快速、简单、有效地确定反应器系统在一定的控制策略下所能耐受的最大时滞值，从而提高含不确定参数的化工反应器系统实际运行的安全和可靠性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，尤其是一种含不确定传热系数的化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法。
技术介绍
在一些实际化工系统运行过程中，不确定性参数在实际工况中是不可调节的。比如结垢引起的传热系数降低，在一定的操作周期内这个影响不一定会及时得到处理或控制，且随着操作时间的延长，操作工况会随不确定参数的影响进一步恶化。这种情况下为了保证化工系统实际操作的安全和可靠性，系统所能耐受的最大时滞非常有必要得到求解和分析，从而在实际操作过程可通过减少传热介质传输距离，提高传感器测量以及反馈时间等手段来保证时滞变量保持在系统所能容忍的范围以内。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，可以快速、简单、有效地确定反应器系统在一定的控制策略下所能耐受的最大时滞值，从而提高含不确定参数的化工反应器系统实际运行的安全和可靠性。本专利技术一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，包括如下步骤：步骤1、对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型:假设限定系统柔性的不确定参数变化临界点已经可以确定或者求知，通过引入时滞耐受度指数变量φ，参考柔性指数求解问题，得到以下化工系统时滞耐受度问题的表达模型：其中，DT(d)=max为系统的时滞耐受度指数，代表了系统在一定的不确定参数变化范围内所能耐受的最大时滞值τmax=maxτ0；d为与操作单元尺寸有关的设计向量，在操作过程中保持不变；x为描述过程系统的状态变量；z为可以调节的控制变量的向量集；θ为不确定参数以及T为不确定参数的变化区间；h和g分别为过程等式约束和不等式约束；上标U和L分别代表不确定参数θ和控制变量z的上限和下限；t为时间变量；τ表示系统的滞后时间变量；上述式子中若χ(d)≤0，表明在时滞的影响下该系统在不确定参数变化区间T内可满足操作要求；反之则表明至少在某些不确定参数θ∈T内，不能找到相应的控制变量Z(t)对系统进行调控，系统无法完全满足过程的操作要求；步骤2、确定控制策略，所确定的控制策略为对系统采用的PID闭环控制，并采用MATLAB的非线性控制设计模块对PID控制参数进行优化；步骤3、通过二分法每确定一次时滞变量的搜索区间，即采用步骤2确定的控制策略对时滞变量搜索区间的边界值进行动态响应性能测试，直到搜索出最终结果最大时滞值τmax为止，当操作工况发生改变时重复步骤1至3，求得在新的操作工况下系统所能耐受的最大时滞值τmax，具体步骤如下：步骤3.1、确定好搜索精度ε和时滞变量的初始搜索区间[τa,τb]，其中χ(d)|τa＜0，χ(d)|τb＞0，如果采用步骤2的控制策略对PID控制参数进行优化后，系统能完全满足过程的操作约束和相关的动态响应要求，那么说明该系统在已知时滞和不确定参数预期波动区域内是可行的，则χ(d)＜0，反之则说明至少存在某些不确定参数值使得系统不能完全满足操作要求以及保证操作的安全和可靠性，则χ(d)＞0；步骤3.2、定义时滞变量τc=1/2(τa+τb)；步骤3.3、判断是否刚好χ(d)|τc=0，即系统刚好满足过程的操作约束和相关的动态响应要求，若刚好χ(d)|τc=0，那么时滞变量τc就是系统所能耐受的最大时滞值，则τmax=τc，结束搜索；若χ(d)|τc≠0，则进入步骤3.4；步骤3.4、若χ(d)|τc＜0，则定义τa=τc；若χ(d)|τc＞0，则定义τb=τc，从而得到新的搜索区间；步骤3.5、判断步骤3.4中新确定的时滞变量搜索区间[τa,τb]是否满足τa–τb＜ε精度要求，若满足则结束搜索，且系统所能耐受的最大时滞值τmax=τa；若新确定的时滞变量搜索区间[τa,τb]不满足τa–τb＜ε精度要求，则重复步骤3.2至3.4，直到搜索出满足要求的最大时滞值τmax。系统所能耐受的最大时滞值τmax确定后，系统的时滞耐受度指数DT(d)=max=τmax/τ0也随之确定。由时滞耐受度指数也可以判断系统实际所能耐受的最大时滞τmax与预期初始时滞τ0的具体偏差。本专利技术首先对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型，其次采用PID闭环控制的控制策略对系统进行动态响应性能测试，PID参数通过MATLAB的NCD(非线性控制设计NonlinearControlDesignPackage)模块进行优化，最后采用二分法结合系统的动态响应性能测试结果对系统所能耐受的最大时滞值τmax进行求解，本专利技术可以快速、简单、有效地确定反应器系统在一定的控制策略下所能耐受的最大时滞值，从而提高含不确定参数的化工反应器系统实际运行的安全和可靠性。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术采用二分法结合PID优化控制动态响应的时滞耐受度搜索流程示意图。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详述。具体实施方式假设限定系统柔性的不确定参数变化临界点已经可以确定或者求知，通过引入时滞耐受度指数变量，参考柔性指数求解问题(DFI)，得到以下化工系统时滞耐受度问题（DTI）的表达模型：其中，d为与操作单元尺寸有关的设计向量，在操作过程中保持不变；x为描述过程系统的状态变量；z为可以调节的控制变量的向量集；θ为不确定参数以及T为不确定参数的变化区间；h和g分别为过程等式约束和不等式约束；上标U和L分别代表不确定参数θ和控制变量z的上限和下限；t为时间变量，τ表示系统的滞后时间变量；上述式子中若χ(d)≤0，表明在时滞的影响下该系统在不确定参数变化区间T内可满足操作要求；反之则表明至少在某些不确定参数θ∈T内，不能找到相应的控制变量Z(t)对系统进行调控，系统无法完全满足过程的操作要求，另外，DT(d)为系统的时滞耐受度指数，代表了系统在一定的不确定参数变化范围内所能耐受的最大时滞值τmax=maxτ0，因为不确定参数变化的临界点代表了系统操作的最差条件，所以所搜索求解获得的时滞耐受度指数就是上述时滞耐受度问题（DTI）的解。为了对具有传热系数不确定性和传热滞后的典型反应器系统进行时滞耐受度问题求解和分析，本专利技术针对实际操作过程不确定参数不可调节的情况，提出了含不确定性参数反应器系统的时滞耐受度的计算方法。如图1所示，本专利技术一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，包括如下具体步骤：步骤1、对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型:假设限定系统柔性的不确定参数变化临界点已经可以确定或者求知，通过引入时滞耐受度指数变量，参考柔性指数求解问题(DFI)，得到以下化工系统时滞耐受度问题的表达模型：其中，DT(d)=max为系统的时滞耐受度指数，代表了系统在一定的不确定参数变化范围内所能耐受的最大时滞值τmax=maxτ0；d为与操作单元尺寸有关的设计向量，在操作过程中保持不变；x为描述过程系统的状态变量；z为可以调节的控制变量的向量集；θ为不确定参数以及T为不确定参数的变化区间；h和g分别为过程等式约束和不等式约束；上标U和L分别代表不确定参数θ和控制变量z的上限和下限；t为时间变量；τ本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型:假设限定系统柔性的不确定参数变化临界点已经可以确定或者求知，通过引入时滞耐受度指数变量，参考柔性指数求解问题，得到以下化工系统时滞耐受度问题的表达模型：其中，DT (d ) =max为系统的时滞耐受度指数，代表了系统在一定的不确定参数变化范围内所能耐受的最大时滞值τ max=maxτ 0；d 为与操作单元尺寸有关的设计向量，在操作过程中保持不变；x 为描述过程系统的状态变量；z 为可以调节的控制变量的向量集；θ 为不确定参数以及T 为不确定参数的变化区间；h 和g 分别为过程等式约束和不等式约束；上标U和L分别代表不确定参数θ 和控制变量z 的上限和下限；t 为时间变量，τ 表示系统的滞后时间变量；上述式子中若χ (d) ≤ 0，表明在时滞的影响下该系统在不确定参数变化区间T 内可满足操作要求；反之则表明至少在某些不确定参数θ ∈T 内，不能找到相应的控制变量Z (t)对系统进行调控，系统无法完全满足过程的操作要求；步骤2、确定控制策略，所确定的控制策略为对系统采用的PID闭环控制，并采用MATLAB的非线性控制设计模块对PID控制参数进行优化；步骤3、通过二分法每确定一次时滞变量的搜索区间，即采用步骤2确定的控制策略对时滞变量搜索区间的边界值进行动态响应性能测试，直到搜索出最终结果最大时滞值τmax为止，当操作工况发生改变时重复步骤1至3，求得在新的操作工况下系统所能耐受的最大时滞值τ max，具体步骤如下：步骤3.1、确定好搜索精度ε和时滞变量的初始搜索区间 [τ a,τ b]，其中χ(d)|τa＜0，χ(d)|τb＞0，如果采用步骤2的控制策略对PID控制参数进行优化后，系统能完全满足过程的操作约束和相关的动态响应要求，那么说明该系统在已知时滞和不确定参数预期波动区域内是可行的，则χ(d)＜0，反之则说明至少存在某些不确定参数值使得系统不能完全满足操作要求以及保证操作的安全和可靠性，则χ(d)＞0；步骤3.2、定义时滞变量τ c=1/2(τ a+τ b)；步骤 3.3、判断是否刚好χ(d)|τ c=0，即系统刚好满足过程的操作约束和相关的动态响应要求，若刚好χ(d)|τ c=0，那么时滞变量τ c就是系统所能耐受的最大时滞值，则τ max=τ c，结束搜索；若χ(d)|τ c≠0，则进入步骤3.4；步骤3.4、若χ(d)|τc＜0，则定义τ a=τ c；若χ(d)|τc＞0，则定义τ b=τ c，从而得到新的搜索区间；步骤3.5、判断步骤3.4中新确定的时滞变量搜索区间[τ a,τ b]是否满足τ a–τ b＜ε精度要求，若满足则结束搜索，且系统所能耐受的最大时滞值τ max=τ a；若新确定的时滞变量搜索区间[τ a,τ b]不满足τ a–τ b＜ε精度要求，则重复步骤3.2至3.4，直到搜索出满足要求的最大时滞值τ max，系统所能耐受的最大时滞值τ max确定后，系统的时滞耐受度指数DT (d ) =max = τ max/τ 0也随之确定，由时滞耐受度指数也可以判断系统实际所能耐受的最大时滞τ max与预期初始时滞τ 0的具体偏差。...
【技术特征摘要】
1.一种化工反应器系统的时滞耐受度指数的计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、对反应器系统进行建模，采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞值的传递函数模型:假设限定系统柔性的不确定参数变化临界点已经可以确定或者求知，通过引入时滞耐受度指数变量，参考柔性指数求解问题，得到以下化工系统时滞耐受度问题的表达模型：其中，DT(d)=max为系统的时滞耐受度指数，代表了系统在一定的不确定参数变化范围内所能耐受的最大时滞值τmax=maxτ0；d为与操作单元尺寸有关的设计向量，在操作过程中保持不变；x为描述过程系统的状态变量；z为可以调节的控制变量的向量集；θ为不确定参数以及T为不确定参数的变化区间；h和g分别为过程等式约束和不等式约束；上标U和L分别代表不确定参数θ和控制变量z的上限和下限；t为时间变量，τ表示系统的滞后时间变量；上述式子中若χ(d)≤0，表明在时滞的影响下该系统在不确定参数变化区间T内可满足操作要求；反之则表明至少在某些不确定参数θ∈T内，不能找到相应的控制变量Z(t)对系统进行调控，系统无法完全满足过程的操作要求；步骤2、确定控制策略，所确定的控制策略为对系统采用的PID闭环控制，并采用MATLAB的非线性控制设计模块对PID控制参数进行优化；步骤3、通过二分法每确定一次时滞变量的搜索区间，即采用步骤2确定的控制策略对时滞变量搜索区间的边界值进行动态响应性能测试，直到搜索出最终结果最大时滞值τmax为止，当操作工况发生改变时重复步骤1至3，求得在新的操作工况下系统所...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄卫清，谭桂平，程志毓，柳鹏，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。