化工串级生产过程的解耦控制系统技术方案

一种化工串级生产过程的解耦控制系统，其特征在于由给定值响应控制器Ｃ、扰动观测器Ｆ、中间级过程辨识模型Ｐ↓［１ｍ］、末级过程辨识模型Ｐ↓［２ｍ］和四个信号混合器组成，其中第一个信号混合器设置在给定值响应控制器Ｃ的输入端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出端连接给定值响应控制器Ｃ的输入端；第二个信号混合器设置在实际中间级过程Ｐ↓［１］的输入端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出端连接实际中间级过程Ｐ↓［１］的输入端；第三个信号混合器设置在实际中间级过程Ｐ↓［１］的输出端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出端连接扰动观测器Ｆ的输入端；第四个信号混合器设置在实际末级过程Ｐ↓［２］的输出端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出端连接第一个信号混合器的负极性输入端；外部给定值输入信号ｒ连接第一个信号混合器的输入端，给定值响应控制器Ｃ的输入端连接第一个信号混合器的输出端，给定值响应控制器Ｃ的输出分两路，一路连接第二个信号混合器的正极性输入端，另一路连接中间级过程辨识模型Ｐ↓［１ｍ］的输入端；扰动观测器Ｆ的输入端连接第三个信号混合器的输出端，扰动观测器Ｆ的输出端连接第二个信号混合器的负极性输入端；中间级过程辨识模型Ｐ↓［１ｍ］的输出端连接第三个信号混合器的负极性输入端，末级过程辨识模型Ｐ↓［２ｍ］的输入端连接中间级过程Ｐ↓［１］的输出检测信号，末级过程辨识模型Ｐ↓［２ｍ］的输出端连接第四个信号混合器的负极性输入端。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

Decoupling control system in cascade process of chemical industry

Decoupling control system for a chemical cascade process, characterized by a given value response controller C, disturbance observer F, intermediate process identification model of P: 1m, the final process identification model of P: 2M and four signal mixer, wherein the first signal mixer set value input in response to the C controller in a given, it has a positive input end and a negative input end of the road, the output end is connected with the input end of a given value response of the C controller; the second signal mixer is arranged at the input end at the middle level of P down 1, it has a positive input way at the end of a road and the negative input end of the output end connected with the input end of the actual process of intermediate level P: 1; third signal mixer set in the actual output intermediate process of P down 1 end And it has a way of positive input and a negative input end and the output end is connected with the input end of the disturbance observer F; fourth signal mixer is arranged in the actual final P down 2 at the output, it has a positive input end and a negative input end of the road. The output end is connected to the first signal mixer negative input terminal; the external setpoint input r connects to the first signal mixer, the output setpoint response controller C is connected with the input terminal of the first signal mixer, the output response of C controller divided the given value, the positive input end of a road connecting the second a signal input end of the mixer, a road connecting the middle level identification model of P down 1m; disturbance observer F input output is connected with the third signal end of the mixer, disturbance The dynamic observer F is connected to the output end of the second signal mixer negative input; output intermediate process identification model of P: 1m is connected with the third signal mixer negative input terminal, final process identification model of P: 2m input output signal connected to intermediate level P: 1 the final output, process identification model of P: 2m is connected with the fourth signal mixer negative input terminal.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化工串级生产过程的解耦控制系统，是针对化工串级生产过程，以最优控制理论和鲁棒控制理论为基础，提出的一种新颖的两自由度解耦控制系统，属于工业过程控制

技术介绍
许多化工生产过程采用串级控制系统来抑制负载干扰信号。通常一个串级控制系统包括两个反馈控制闭环，即用一个反馈控制外环嵌套一个控制内环。该控制内环中的对象是中间级可测量输出的过程。当有负载干扰信号混入该中间级过程时，控制内环能尽快调节中间级过程输入能量以减小和抑制负载干扰信号的影响，使得中间级过程输出平稳，从而避免或减小负载干扰信号渗透和扩展到末级主输出过程，保证主要过程输出的稳定性。因而在实际可能的情况下，使用串级控制方式能达到比经典的单回路控制系统更好的负载干扰抑制能力。然而常规串级控制系统的缺点也是很明显的如控制内环和控制外环之间具有耦合作用，使得调节和整定控制系统比较麻烦。即首先要整定内环控制器且将外环控制器置为手动状态，当整定内环控制器达到满意的内环控制性能后再整定外环控制器直至达到满意的外环控制性能。一旦最终得到的整个控制系统性能指标不能达到指定的要求，或者由于在系统运行中发生过程参数摄动而导致控制系统性能指标下降，则必须按照上述整定步骤重新调节内环和外环控制器，所以无论是预先整定常规串级控制系统还是在线调节常规串级控制系统都是比较繁琐的，而且不进行仔细整定所得到的控制系统性能不见得比经典的单回路控制结构更好。此外，控制内环的负载干扰响应会引起末级主要过程输出正负两个方向的振荡，这在多数情况下是很有害的甚至是不允许的。因此在目前一些工业实际应用中，工程师和实际用户在权衡了上述利弊后甚至放弃了常规串级控制结构而仍然采用经典的单回路控制结构，使得串级控制结构的优越性在实际可以应用的场合和工况下没有得到应有的发挥。近几年在控制领域的国际和国内的重要刊物上刊登了一些知名学者和工程专家提出的常规串级控制系统的简易控制器设计方法和整定规则，以及变通的实现结构。突出有代表性的有Tan，K.K.和Lee，T.H.在文献Simultaneous onlineautomatic tuning of cascade control for open loop stable processes(ISA Transactions，2000，39，233-242.)中提出一种在线整定常规串级控制系统的内环和外环控制器的方法。该方法通过提出期望的内环和外环响应传递函数来确定控制器的参数值，但是要求用户预先了解和掌握一些系统的工作特性和响应信息，才能提出较科学合理的内环和外环响应传递函数，这使得其实际应用具有一定难度，而且内环和外环控制器均为PI控制器，即分别需要整定两个参数。Lee，Y.H.在文献PIDcontroller tuning to obtain desired closed loop responses for cascade control systems(Ind.Eng.Chem.Res，1998，37(5)，1859-1865.)中提出一种采用内模控制理论(Morari，M.and E.Zafiriou，Robust process control，Prentice Hall，Englewood Cliffs，NY，1989)设计常规串级控制系统的内环和外环控制器的方法。该方法的优点是内环和外环控制器均为单参数整定，设计和操作方便。但是该方法仍然没有克服控制内环和控制外环之间具有耦合作用的缺点，使得调节和整定控制系统依然必须依照先内环后外环的顺序进行。Kaya在文献Improving performance usingcascade control and a Smith predictor(ISA Transactuions，2001，40，223-234.)中提出一种应用Smith预估器改进常规串级控制系统的方法。该方法明确给出了根据过程辨识所得到的一阶和二阶对象模型整定两个控制器的经验公式，但仍未克服两个控制器的调节之间具有耦合作用的缺点，而且没有说明在过程参数摄动情况下如何整定两个控制器的参数值来提高控制系统的性能指标和鲁棒稳定性。我国学者刘洪波和柴天佑在文献《一种新的鲁棒串级控制系统及其应用》(仪器仪表学报.2000.21(4)，384-387.)中提出一种能增强常规串级控制系统结构的鲁棒性的方法，但采用的是经典的Ziegler-Nichols法(Optimum Settings for AutomaticControllers，Trans.ASME，1942，65，pp.433-444)来整定主副回路控制器，不能实现控制系统性能的最优性，而且没有从根本上改善内环和外环之间的耦合作用。陈元杰，汪洋和诸健在文献《串级控制系统的PID参数自动整定算法》(控制与决策.1996.11(5)，580-584.)中提出了一种改进常规串级控制系统的控制器参数整定的方法，但没有改进常规串级控制系统结构，所以仍然保留着常规串级控制系统的主要缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服常规串级控制系统的主要缺点，从根本上克服常规串级控制系统中存在的内环和外环响应之间严重耦合的弊端，解决系统给定值响应和中间级过程负载干扰响应之间的耦合问题。为此，本专利技术给出一种新颖的两自由度解耦串级控制系统。控制系统的给定值响应采用内模控制结构，利用末级过程辨识模型的输出与实际末级过程的输出之间的偏差量作为给定值响应的反馈调节信息量，与系统给定输入值做求差运算后将结果作为给定值响应控制器的输入量，从而实现渐近跟踪系统给定值的目的。实质上在标称情况下，这种内模控制结构属于开环控制方式，因而能够保证非常良好的鲁棒稳定性。用于抑制中间级过程负载干扰信号的控制闭环设置在中间级过程的输入端与输出端之间，利用中间级过程辨识模型的输出与实际中间级过程的输出之间的偏差量作为抑制中间级过程负载干扰信号的反馈调节信息量，将其传送给设置在该控制闭环反馈通道上的扰动观测器，经过扰动观测器判断和处理后输出给实际中间级过程的输入端，从而调节其输入量的大小以达到消除混入中间级过程的负载干扰信号的目的。所以，在标称情况下给定值响应的开环控制方式与用于抑制中间级过程负载干扰信号的控制闭环之间不会产生相互作用，从而实现系统给定值响应和中间级过程负载干扰响应之间完全解耦的目的。需要指出，实际中很多情况下只能通过机理分析和系统辨识方法比较容易地得到较准确的中间级过程辨识模型P1m和全局串级过程辨识模型Pm，然后采用间接的方法如P2m＝Pm/P1m得到末级过程模型。然而这在一些实际应用中会引起较大的模型误差而使上述解耦控制系统所能达到的控制性能损失较多，所以在这些情况下可以采用全局串级过程辨识模型的输出与实际末级过程的输出之间的偏差量作为给定值响应的反馈调节信息量，与系统给定输入值做求差运算后将结果作为给定值响应控制器的输入量，从而实现渐近跟踪系统给定值的目的，这里称之为本专利技术的一种变通的解耦控制系统。当然，这种变通的解耦控制系统相对于上述首先推荐的解耦控制系统的不足是内环负载干扰响应受给定值响应控制器的影响，使得控制系统的给定值响应和中间级过程负载干扰响应之间存在一定程度的耦合。因此在可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，顾诞英，张卫东，蔡云泽，何星，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：