基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法，包括如下步骤：步骤1.将化工互联系统分割成多个子系统，并建立子系统模型及子系统通信协议；步骤2.设计分散式故障检测方式；步骤3.设计分散式状态反馈控制器。本发明专利技术假定只有当两个子系统的实际状态与期望状态的误差都超过设定阈值时才发生通信，有效的隔离了故障的传播。基于此通信协议设计了故障检测方案，当系统检测到故障后，利用分散式状态反馈控制，将子系统的状态进行线性变换，得到分散式状态反馈控制率，将该控制率作用于此系统时，系统的状态能够收敛到原点附近的邻域内，确保各子系统稳定运行。若各子系统都是稳定运行的，则化工互联系统也是稳定运行的。定运行的。

【技术实现步骤摘要】
基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法


[0001]本专利技术属于自动化
，涉及一种基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法。

技术介绍

[0002]随着科技水平的提高，化工系统的规模越来越大，结构也越来越复杂，而这种复杂大系统内部一般都具有互联形式。由于这种化工互联系统内部结构较为复杂，各子系统之间相互联系，因此一个子系统发生故障后容易把故障传播到与其相连的其它子系统，如果不能及时检测到故障并将故障子系统隔离，互联系统很容易瘫痪，影响生产，甚至危及生命安全。而传统的集中式控制方案对维度较高的化工互联系统控制效果不太理想，因此采用分散式状态反馈控制方法对化工互联系统而言是很有必要的。该方法将化工互联系统分割成多个子系统，对每个子系统单独控制。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法。
[0004]本专利技术首先建立子系统状态模型，给定跟踪误差方程，设定子系统通信协议，与传统的子系统通信协议相比，本专利技术假定只有当两个子系统的实际状态与期望状态的误差都超过设定阈值时才发生通信，有效的隔离了故障的传播。基于此通信协议设计了故障检测方案，当系统检测到故障后，利用分散式状态反馈控制，将子系统的状态进行线性变换，得到分散式状态反馈控制率，将该控制率作用于此系统时，系统的状态能够收敛到原点附近的邻域内，确保各子系统稳定运行。若各子系统都是稳定运行的，则化工互联系统也是稳定运行的。具体技术方案如下：
[0005]一种基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1.将化工互联系统分割成多个子系统，并建立子系统模型及子系统通信协议；
[0007]步骤2.设计分散式故障检测方式；
[0008]步骤3.设计分散式状态反馈控制器。
[0009]进一步的，所述步骤1包括如下步骤：
[0010]1‑
1.建立第i(i＝1,2,...n)个子系统模型为：
[0011][0012][0013]其中表示第i个子系统的状态向量，表示整个系统的状态，u
i
表示第i个子系统的控制输入，其中f
i
(u
i
)为足够光滑函数，f
i
(0)＝0；为未知函数，表示第i个子系统和第j(j＝1,2,...n)个子系统之间的互联效应，且h
i
(x,u
i
,t)表示子系统i的外部扰动函数，h
i
是有界扰动；Ω(t
‑
T
i
)表示在未知时刻T
i
发生的扰动对应的扰动系数分布；
[0014][0015]其中D
i
＞0是表示扰动发生率的未知常数；D
i
值较大则表示突发性故障，而相对较小的D
i
值表示缓慢发生的故障；
[0016]1‑
2.建立子系统i的局部标称模型
[0017][0018]其中
[0019][0020]是已知的局部边界函数，表示f
i
的建模不确定性的边界；
[0021]1‑
3.建立子系统的状态跟踪误差方程
[0022]令为x
i
的参考轨迹矢量，则子系统i的状态跟踪误差方程为：
[0023][0024]1‑
4.建立子系统间的通信协议
[0025]如果两个子系统(子系统i和子系统j)的跟踪误差(x
i
和x
j
)都超过各自设定的阈值(d
i
和d
j
)，则子系统i和子系统j交换状态信息x
i
和x
j
,否则其它子系统将改用已知的期望状态和
[0026]定义协议函数G
i
：
[0027][0028]当G
i
(t)G
j
(t)＝1时子系统i和子系统j之间才发生通信，且G
i
(t)G
j
(t)＝G
j
(t)G
i
(t)。
[0029]进一步的，所述步骤2具体包括如下步骤：
[0030]2‑
1.建立子系统i的估计量模型
[0031]假设互联函数的泰勒展开后的高阶项对所有i≠j都满足
[0032][0033]其中L
ij
是已知常数，是欧几里得范数；
[0034]令
[0035][0036]为子系统i的估计量模型，其中
[0037][0038]其中，是第i个子系统的估计状态，满足κ
i
＞0是自定义的标量，是估计误差，用于故障检测；
[0039]2‑
2.定义故障检测阈值R
i
(t)
[0040][0041]其中
[0042][0043]如果|ε
i
(t
d
)|≥R
i
(t
d
)，则在t
d
时刻发生故障，系统发出警报。
[0044]进一步的，所述步骤3具体包括如下步骤：
[0045]3‑
1.对步骤1
‑
1子系统模型进行线性变换
[0046]令l
i
为待定正常数，作模型的线性变换其中
[0047]则系统模型可化为
[0048][0049]3‑
2.设计分散状态反馈控制律
[0050]假设f
i
'(0)＝0，f
i”(0)＝0，...其中γ
i
为某个正奇数；
[0051]令分散状态反馈控制律为
[0052][0053]3‑
3.将步骤3
‑
2的分散状态反馈控制律代入步骤3
‑
1变换后的子系统模型，可使得：
[0054](1)当扰动h
i
(x,u
i
,t)＝0时，变换后的子系统i是渐近稳定的；
[0055](2)当扰动h
i
(x,u
i
,t)≠0时，变换后的子系统i的解有界，且收敛到原点的一个小邻域内，该邻域与扰动的界有关，扰动的界越小，该邻域越小；
[0056]3‑
4.由于线性变换具有等价性，从步骤3
‑
3可知：
[0057](1)当扰动h
i
(x,u
i
,t)＝0时，子系统i是渐近稳定的；
[0058](2)当扰动h
i
(x,u
i
,t)≠0时，子系统i的解x(t)有界，且收敛到原点的一个小邻域内，该邻域与扰动的界有关，扰动的界越小，该邻域越小。
[0059]由此可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.将化工互联系统分割成多个子系统，并建立子系统模型及子系统通信协议；步骤2.设计分散式故障检测方式；步骤3.设计分散式状态反馈控制器。2.如权利要求1所述基于化工过程的性能估计与分散式状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：1
‑
1.建立第i(i＝1,2,...n)个子系统模型为：1.建立第i(i＝1,2,...n)个子系统模型为：其中表示第i个子系统的状态向量，表示整个系统的状态，u
i
表示第i个子系统的控制输入，其中f
i
(u
i
)为足够光滑函数，f
i
(0)＝0；为未知函数，表示第i个子系统和第j(j＝1,2,...n)个子系统之间的互联效应，且h
i
(x,u
i
,t)表示子系统i的外部扰动函数，h
i
是有界扰动；Ω(t
‑
T
i
)表示在未知时刻T
i
发生的扰动对应的扰动系数分布；其中D
i
＞0是表示扰动发生率的未知常数；D
i
值较大则表示突发性故障，而相对较小的D
i
值表示缓慢发生的故障；1
‑
2.建立子系统i的局部标称模型其中其中是已知的局部边界函数，表示f
i
的建模不确定性的边界；1
‑
3.建立子系统的状态跟踪误差方程令为x
i
的参考轨迹矢量，则子系统i的状态跟踪误差方程为：1
‑
4.建立子系统间的通信协议
如果两个子系统(子系统i和子系统j)的跟踪误差(x
i
和x
j
)都超过各自设定的阈值(d
i
和d
j
)，则子系统i和子系统j交换状态信息x
i
和x
j
,否则其它子系统将改用已知的期望状态和定义协议函数G
i
：当G
i
(t)G
j
(t)＝1时子系统i和子系统j之间才发生通信，且G
i
(t)G
j
(t)＝G
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺，吴锋，张日东，李平，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：