一种化工工业过程随机故障容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种化工工业过程随机故障容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、建立批次生产过程模型；步骤2、设计批次过程控制器。该方法首先建立化工批次过程的模型，并引入内部误差和外部干扰，然后采用随机控制理论分析不同概率条件下可能发生的故障，得到最优更新律和控制量。不同于传统的控制策略，本发明专利技术所提出的新型控制策略考虑到了内部故障和外部干扰。通过对随机故障的控制保证系统具有更好的控制性能。

A fault tolerant control method for chemical industrial processes with random faults

The invention discloses a stochastic fault tolerant control method for chemical industry process, which comprises the following steps: step 1, establishing batch production process model; step 2, designing batch process controller. Firstly, the model of chemical batch process is established, and the internal error and external disturbance are introduced. Then the stochastic control theory is used to analyze the possible faults under different probability conditions, and the optimal update law and control variables are obtained. Different from the traditional control strategy, the new control strategy proposed by the invention takes into account the internal faults and external interference. The control of random faults ensures that the system has better control performance.

【技术实现步骤摘要】
一种化工工业过程随机故障容错控制方法
本专利技术属于自动化工业过程控制领域，涉及到一种化工批次过程随机故障容错控制方法。
技术介绍
随着工业的发展，批次生产广泛应用于化工、医药、生物制品、现代农业等领域。随着产品需求的增加，自动化控制系统规模逐步扩大，批量生产需要在复杂的环境下运行。但是在生产技术有限的情况下，生产机器在长时间的运行下可能出现许多故障。如果不能及时有效地解决这些问题，不但会导致生产过程性能降低，还会造成严重的财产损失，甚至威胁到生产人员的安全。从安全性和生产性能的角度出发，研究一种批次过程随机故障容错控制方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术目的是针对化工批次过程中出现随机故障提出一种新型的容错控制方法。该方法首先建立化工批次过程的模型，并引入内部误差和外部干扰，然后采用随机控制理论分析不同概率条件下可能发生的故障，得到最优更新律和控制量。不同于传统的控制策略，本专利技术所提出的新型控制策略考虑到了内部故障和外部干扰。通过对随机故障的控制保证系统具有更好的控制性能。本专利技术的技术方案是通过模型建立、计算故障出现概率、控制器设计、算法设计等手段，设计了化工批次过程随机故障容错控制方法。利用该方法可以在同时出现内部故障和外部扰动时提高的控制性能。本专利技术的方法步骤包括：步骤1、建立批次生产过程模型，具体步骤是：1-1.建立批次过程系统状态模型，形式如下：其中t和k分别表示时间和批次；x(t,k)、x(t+1,k)分别表示系统第k批次第t时刻、t+1时刻的状态；y(t,k)表示系统第k批次第t时刻的输出；u(t,k)表示系统第k批次第t时刻控制输入；B、C是具有适当维数的系统矩阵；A(t,k)、w(t,k)分别表示第k批次第t时刻的内部扰动、外部干扰。1-2.引入期望跟踪轨迹并定义输出误差：e(t,k)＝yr(t)-y(t,k)其中e(t,k)是系统第k批次第t时刻的输出误差，yr(t)是已知的期望输出轨迹。1-3.引入发生故障的概率：γ(t,k)＝P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}＝1-(1-α)n其中n是每个批次总共的步骤数，α是下一个时刻发生故障的可能性，γ(t,k)是系统第k批次第t时刻出现故障的概率，P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}表示第k-1批次第t时刻没出现故障的情况下第k批次第t时刻出现故障的概率。步骤2、设计批次过程控制器，具体步骤是：2-1.首先设计初始控制量：其中u(t,k-1)表示第k-1批次第t时刻的控制量输入，r(t,k)第k批次第t时刻的更新律，u(t,0)是第t时刻系统的初始控制量输入。2-2.定义输入误差和状态误差：δ(x(t,k))＝x(t,k)-x(t,k-1)其中、δ(x(t,k))是系统第k批次第t时刻的状态误差，x(t,k-1)是系统第k-1批次第t时刻的状态。2-3.当出现故障时，系统输入为：其中是一个在0-1之间的常数，uF(t,k)是系统第k批次第t时刻带误差的输入。2-4.由步骤1-2和2-2可以得到：其中是系统在第k批次第t时刻的扩展外部干扰。e(t+1,k)＝yr(t+1,k)-y(t+1,k)＝e(t+1,k-1)-Cδ(x(t+1,k))其中e(t+1,k)表示系统第k批次第t+1时刻的输出误差，e(t+1,k-1)表示系统第k-1批次第t+1时刻的输出误差，yr(t+1,k)、y(t+1,k)分别是系统第k批次第t+1时刻的期望输出和实际输出，δ(x(t+1,k))是系统第k批次第t+1时刻的状态误差。2-5.将步骤2-4转换为状态空间模型：其中δ(x(t+1,k))表示系统第k批次第t+1时刻的状态误差，I是具有适当维数的单位矩阵。2-6.由步骤2-5得更新律r(t,k)如下：r(t,k)＝(1-γ(t,k))K0X(t,k)+γ(t,k)K1X(t,k)其中X(t,k)是系统第k批次第t时刻的状态和输出误差矩阵，K0,K1是第i阶段的两个增益系数。2-7.结合步骤2-1到步骤2-6可以得到化工批次过程最优控制律u(t,k)并作用于被控对象。具体实施方式以注塑成型工艺为例：步骤1、建立批次生产过程模型，具体步骤是：1-1.建立批次过程系统状态模型，形式如下：其中t和k分别表示时间和批次；x(t,k)、x(t+1,k)分别表示系统第k批次第t时刻、t+1时刻注塑成型的系统状态；y(t,k)表示系统第k批次第t时刻的喷嘴压力；u(t,k)表示系统第k批次第t时刻注塑成型的阀门开度；B、C是具有适当维数的系统矩阵；A(t,k)、w(t,k)分别表示第k批次第t时刻的内部扰动、外部干扰。1-2.引入期望跟踪轨迹并定义输出误差：e(t,k)＝yr(t)-y(t,k)其中e(t,k)是系统第k批次第t时刻的喷嘴压力误差，yr(t)是已知的期望喷嘴压力轨迹。1-3.引入发生故障的概率：γ(t,k)＝P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}＝1-(1-α)n其中n是每个批次总共的步骤数，α是下一个时刻发生故障的可能性，γ(t,k)是系统第k批次第t时刻出现故障的概率，P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}表示第k-1批次第t时刻没出现故障的情况下第k批次第t时刻出现故障的概率。步骤2、设计批次过程控制器，具体步骤是：2-1.首先设计初始控制量：其中u(t,k-1)表示第k-1批次第t时刻的阀门开度，r(t,k)第k批次第t时刻的更新律，u(t,0)是第t时刻系统的初始阀门开度。2-2.定义系统注塑状态误差：δ(x(t,k))＝x(t,k)-x(t,k-1)其中、δ(x(t,k))是系统第k批次第t时刻的系统注塑状态，x(t,k-1)是系统第k-1批次第t时刻的系统注塑状态。2-3.当出现故障时，系统阀门开度为：其中是一个在0-1之间的常数，uF(t,k)是系统第k批次第t时刻带误差的阀门开度。2-4.由步骤1-2和2-2可以得到：其中是系统在第k批次第t时刻的扩展外部干扰。e(t+1,k)＝yr(t+1,k)-y(t+1,k)＝e(t+1,k-1)-Cδ(x(t+1,k))其中e(t+1,k)表示系统第k批次第t+1时刻的喷嘴压力误差，e(t+1,k-1)表示系统第k-1批次第t+1时刻的喷嘴压力误差，yr(t+1,k)、y(t+1,k)分别是系统第k批次第t+1时刻的期望喷嘴压力和实际喷嘴压力，δ(x(t+1,k))是系统第k批次第t+1时刻的系统注塑状态误差。2-5.将步骤2-4转换为状态空间模型：其中δ(x(t+1,k))表示系统第k批次第t+1时刻的注塑状态误差。2-6.由步骤2-5得更新律r(t,k)如下：r(t,k)＝(1-γ(t,k))K0X(t,k)+γ(t,k)K1X(t,k)其中X(t,k)是系统第k批次第t时刻的系统状态和喷嘴压力误差矩阵，K0,K1是第i阶段的两个增益系数。2-7.结合步骤2-1到步骤2-6可以得到化工批次过程最优控制律u(t,k)并作用于被控对象。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化工工业过程随机故障容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、建立批次生产过程模型；步骤2、设计批次过程控制器。

【技术特征摘要】
1.一种化工工业过程随机故障容错控制方法，包括如下步骤：步骤1、建立批次生产过程模型；步骤2、设计批次过程控制器。2.如权利要求1所述的化工工业过程随机故障容错控制方法，其特征在于：步骤1具体如下：1-1.建立批次过程系统状态模型，形式如下：其中t和k分别表示时间和批次；x(t,k)、x(t+1,k)分别表示系统第k批次第t时刻、t+1时刻的状态；y(t,k)表示系统第k批次第t时刻的输出；u(t,k)表示系统第k批次第t时刻控制输入；B、C是具有适当维数的系统矩阵；A(t,k)、w(t,k)分别表示第k批次第t时刻的内部扰动、外部干扰；1-2.引入期望跟踪轨迹并定义输出误差：e(t,k)＝yr(t)-y(t,k)其中e(t,k)是系统第k批次第t时刻的输出误差，yr(t)是已知的期望输出轨迹；1-3.引入发生故障的概率：γ(t,k)＝P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}＝1-(1-α)n其中n是每个批次总共的步骤数，α是下一个时刻发生故障的可能性，γ(t,k)是系统第k批次第t时刻出现故障的概率，P{γ(t,k)＝1|γ(t,k-1)＝0}表示第k-1批次第t时刻没出现故障的情况下第k批次第t时刻出现故障的概率。3.如权利要求2所述的化工工业过程随机故障容错控制方法，其特征在于：步骤2具体如下：2-1.首先设计初始控制量：其中u(t,k-1)表示第k-1批次第t时刻的控制量输入，r(t,k)第k批次第t时刻的更新律，u(...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯平智，余波，邹洪波，张日东，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33