一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法技术

本发明专利技术涉及基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，本发明专利技术对箱式微波高温反应器的设备参数及电控系统、操作变量MV、被控变量CV、测温仪器进行了分析，对箱式微波高温反应器的加热温度‑磁控管功率的局部模型进行了辨识，建立了基于双层结构模型预测控制的箱式微波高温反应器温度控制的各项函数，选定了各项约束，并基于上述工作应用双层结构模型预测控制对微波高温反应器系统进行预测控制，得出应该采用的最优MV增量并以此数据对微波高温反应器进行实际控制。本发明专利技术能够在保证控制性能的情况下对微波加热过程中的能耗进行控制，既能够提高微波高温反应过程中的温度控制精度，又能够降低能耗，保证经济效益。

A Precise Temperature Control Method for Microwave High Temperature Reactor Based on Double-Layer Model Predictive Control

The invention relates to a method for precise temperature control of microwave high temperature reactor based on predictive control of double-layer structure model. The device parameters of box microwave high temperature reactor and the electronic control system, operation variable MV, controlled variable CV and temperature measuring instrument are analyzed. The local model of heating temperature and magnetron power of box microwave high temperature reactor is identified, and the basis is established. Based on the above work, the double-layer structure model predictive control is applied to the predictive control of the microwave high-temperature reactor system. The optimal MV increment is obtained and the data are used to control the microwave high-temperature reactor. The invention can control the energy consumption in the microwave heating process under the condition of guaranteeing the control performance, not only can improve the temperature control accuracy in the microwave high temperature reaction process, but also can reduce the energy consumption and ensure the economic benefit.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法
本专利技术涉及一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，应用双层结构模型预测控制方法来实现微波高温反应器温度的优化控制，属于模型预测控制及微波冶金

技术介绍
微波高温反应广泛应用于冶金、制药、材料领域，与传统加热方式相比，微波加热具有容易控制、升温速度快以及能够依据物料介电特性的不同进行选择性加热等优点，但同时又存在着电能消费高以及冷却水循环系统耗能高的缺点，鉴于微波高温反应应用领域广泛以及应用程度之深，提高微波高温反应器的能量利用效率、降低能耗是十分关键的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，使得微波高温反应器在工作时能够跟踪设定值进行温度控制的同时有效降低系统能耗，提升经济效益，提高控制性能。本专利技术的技术方案是：一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，所述方法的具体步骤如下：步骤1、根据微波高温反应器工作时所需元件以及工作过程建立微波高温反应器加热过程的数学模型；步骤2、确定微波高温反应器工作时的操作变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：步骤1、根据微波高温反应器工作时所需元件以及工作过程建立微波高温反应器加热过程的数学模型；步骤2、确定微波高温反应器工作时的操作变量MV、被控变量CV以及各项软硬约束，判明并设置各变量以及约束优先级别，判明操作变量MV、被控变量CV之间的相关耦合关系；步骤3、对微波高温反应器进行分析得出双层结构模型预测控制的第一层，即稳态目标计算层的目标函数；步骤4、对微波高温反应器进行系统辨识得出双层结构模型预测控制的第二层，即动态控制层的控制策略；步骤5、优化设定所须反应温度并基于前述步骤1～4的结果，...

【技术特征摘要】
1.一种基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：步骤1、根据微波高温反应器工作时所需元件以及工作过程建立微波高温反应器加热过程的数学模型；步骤2、确定微波高温反应器工作时的操作变量MV、被控变量CV以及各项软硬约束，判明并设置各变量以及约束优先级别，判明操作变量MV、被控变量CV之间的相关耦合关系；步骤3、对微波高温反应器进行分析得出双层结构模型预测控制的第一层，即稳态目标计算层的目标函数；步骤4、对微波高温反应器进行系统辨识得出双层结构模型预测控制的第二层，即动态控制层的控制策略；步骤5、优化设定所须反应温度并基于前述步骤1～4的结果，得出应该采用的最优MV增量并以此增量对微波高温反应器进行实时动态控制，进而动态跟踪设定温度实现反应过程温度的优化控制。2.根据权利要求1所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述步骤1中，微波高温反应器的工作过程是通过对磁控管输入电功率进行调节从而控制反应温度，进一步的是通过调节磁控管输入阳极电压来调节磁控管输入电功率，其中磁控管模块为4个最大功率为1.5KW的磁控管组成，为实现减小磁控管之间相互影响提高加热效率的目的，磁控管在微波加热装置中的位置遵循正交布置，总的功率范围为0.3KW-6KW连续可调，最高反应温度为1200℃，磁控管自身发热由冷却水内部循环来降温；温度采集周期为10秒，稳态目标计算层的计算周期为1分钟，动态控制层的计算周期为5秒。3.根据权利要求2所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述步骤2中，确定微波高温反应器工作时的操作变量MV为磁控管模块的输入功率；确定微波高温反应器工作时的被控变量CV为反应物温度以及磁控管模块循环冷却水系统水温；确定微波高温反应器工作时的硬约束为反应温度的上、下限，下限为室温，上限为1200℃，磁控管模块功率的下限为0.3KW，上限为6KW，即每个磁控管的功率硬约束为0.075～1.5KW，软约束为反应温度、磁控管模块功率；反应温度测量由热电偶及红外测温仪进行，其中，室温～1200℃使用K型分度热电偶测温，而600～1800℃使用红外测温仪测温。4.根据权利要求3所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述步骤2中，所述被控变量CV中反应物温度优先级为1，循环冷却水温度优先级为2；在判明并设置所述操作变量MV中优先级时，首先对四个磁控管进行编号，分别为磁控管1、磁控管2、磁控管3、磁控管4，每个磁控管对应的阳极输入电功率的优先级分别对应1、2、3、4；优先级的高低遵循数字越小优先级越高的规则；MV与CV的相关耦合性判明为：磁控管输入电功率增大时物料温度也相应增高，两者之间呈正相关关系；磁控管输入功率增大时循环冷却水温度相应增高，两者之间呈正相关关系。5.根据权利要求4所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：CV中反应物温度优先级高于循环冷却水温度优先级，则反应温度的约束比循环冷却水温度的约束更优先获得满足且要优先保证对反应温度的控制，MV中磁控管1输入功率、磁控管2输入功率、磁控管3输入功率、磁控管4输入功率的优先级为磁控管1输入功率>磁控管2输入功率>磁控管3输入功率>磁控管4输入功率，且四个磁控管能够分别进行开关控制。6.根据权利要求5所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述四个磁控管能够分别进行开关控制，微波高温反应器工作时，首先启动磁控管1，若只启动磁控管1无法达到要求反应所需温度或所须总输入功率超过磁控管1功率硬约束时则启动磁控管2，若仍无法达到要求则启动磁控管3，若仍无法达到要求则启动磁控管4，此时，每个磁控管的硬约束对于磁控管模块的功率总的硬约束而言视为软约束。7.根据权利要求6所述的基于双层结构模型预测控制的微波高温反应器温度精确控制的方法，其特征在于：所述每个磁控管的硬约束对于磁控管模块的功率总的硬约束而言可视为软约束，是指：磁控管模块的功率硬约束为0.3～6KW，单个磁控管的功率硬约束为0.075～1.5KW，两个磁控管的总硬约束为0.15～3KW，三个磁控管的总硬约束为0.225～4.5KW，以此类推；则当微波高温反应器从一个磁控管工作变为两个磁控管工作时，磁控管模块总的硬约束依旧为0.3～6KW，软约束由0.075～1.5KW放松为0.15～3KW，以此类推，软约束等级由低到高共放松3次，反之则共收缩3次。8.根据权利要求4所述的基于双层结构模型预测控制对微波高温反应器温度优化控制的方法，其特征在于：所述步骤3中，确定稳态目标计算层的目标函数分为步骤3-1和步骤3-2两个步骤；步骤3-1为确定微波高温反应器工作时的有关经济效益的目标函数，其目标函数为：minJ1＝CyΔYss(k)+CuΔUss(k)(1)其中：ΔYss(k)＝[Δy1,ss(k)Δy2,ss(k)]TΔyi,ss(k)＝yi,ss(k+1)-yi,ss(k),i＝1,2Cy＝[cy1cy2]ΔUss(k)＝[Δu1,ss(k)Δu2,ss(k)Δu3,ss(k)Δu4,ss(k)]TΔuj,ss(k)＝uj,ss(k+1)-uj,ss(k),j＝1,2,3,4Cu＝[cu1cu2cu3cu4]式中，Cy和Cu为代价系数向量，△Yss(k)和△Uss(k)为CV和MV的稳态增量，进一步地说，△y1,ss(k)和△y2,ss(k)分别是反应物温度、循环冷却水系统温度的稳态增量并且△uj,ss(k)(j＝1,2,3,...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彪，成宬，郭林嘉，代忠仿，郭祥，邓卓，朱娜，母其海，刘志邦，彭金辉，李鑫培，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53