一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，自触发控制方法包括如下步骤：根据两级循环式化学反应器的数学模型，考虑两个子系统均存在状态时滞和动态不确定性的情况下，构建状态方程；构建有限时间规定性能函数l

【技术实现步骤摘要】
一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法


[0001]本专利技术涉及化工工业自动控制
，具体的说是一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法。

技术介绍

[0002]两级循环式化学反应器是一种常见的非线性系统，由于其热交换能力强、产品质量稳定和低成本等优点，在化工生产的核心设备中占有重要地位，被广泛应用于染料、医药试剂、食品及合成材料等工业生产中。系统的控制变量主要来自循环式化学反应器产品流的成分等，对这些变量的控制效果将直接影响到化工产品的生产质量。因此，两级循环式化学反应器系统在模型和控制方面具有较高的研究价值。
[0003]在许多实际系统中，如化工过程、电子通信、航空航天、石油勘探等，时滞现象时有发生。它是系统不稳定的重要原因。时滞的存在使得这些实际系统的理论分析和工程应用都极为困难，因此对时滞系统的研究具有重要的理论意义和实际的应用价值。此外，由于外部干扰、建模误差和模型简化等影响，未建模动态的存在会降低控制性能，甚至导致闭环系统不稳定。进一步，随着网络控制系统的发展，在实际应用中信道的带宽是有限的，为了保证系统可以在给定的带宽内正常运行，需要使用量化技术来降低通讯速率。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，该控制方法不仅保证了闭环系统的所有状态都是有界的，而且系统输出在有限的时间被限制在规定的范围内，显著降低了通讯成本，且具有较高的工程实用价值。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，所述两级循环式化学反应器包括互联且非线性的第一、第二两个子系统，两个子系统均包含有第一级系统和第二级系统；所述自触发控制方法包括如下步骤：S1、根据两级循环式化学反应器的数学模型，考虑两个子系统均存在状态时滞和动态不确定性的情况下，构造具有量化输入特性的两级循环式化学反应器状态方程；S2、根据步骤S1得到的状态方程，构建有限时间规定性能函数以实现更好的暂态和稳态性能，同时定义误差转换函数，使得受约束的系统输出信号x
m,1
转换为不受约束的变量进而经过坐标变换得到两级系统的误差方程；S3、针对两个子系统中的第一级系统，构建第一个李雅普诺夫函数，基于反步法设计使第一级系统趋于稳定的第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律S4、针对两个子系统中的第二级系统，构建第二个李雅普诺夫函数，基于反步法设计第二虚拟控制信号α
m,2
和第二自适应律使得两级系统实现闭环稳定。
[0006]进一步地，步骤S3的具体过程为：S31、构造分数阶滤波器，在引入误差补偿机制的基础上定义补偿误差信号，结合步骤S1得到的状态方程和步骤S2得到的误差方程对定义的补偿误差信号进行求导，得到第一级系统的误差动态方程；S32、针对循环式化学反应器的第一级系统，根据第一级系统的误差动态方程构造第一个李雅普诺夫函数，并对第一个李雅普诺夫函数进行求导，得到第一个李雅普诺夫函数的导数式；S33、根据未建模动态原理和正切函数解决第一级系统的误差动态方程中存在的动态不确定问题，根据引理和杨氏不等式解决第一级系统的误差动态方程中存在的互联问题。利用双曲正切函数和模糊逻辑系统解决第一个李雅普诺夫函数的导数式中存在的未知函数；S34、基于反步法设计使得第一级系统趋于稳定的第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律并将第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律代入第一个李雅普诺夫函数的导数式中，即得到第一级系统趋于稳定的不等式方程。
[0007]进一步地，步骤S4的具体过程为：S41、考虑饱和非线性的存在对两级循环式化学反应器稳定性的影响，引入用于避免饱和非线性发生的饱和函数S42、结合步骤S1得到的状态方程、步骤S2得到的误差方程以及步骤S41引入的饱和函数对步骤S31定义的补偿误差信号进行求导，得到第二级系统的误差动态方程；S43、针对循环式化学反应器的第二级系统，根据第二级系统的误差动态方程构造第二个李雅普诺夫函数，构造的第二个李雅普诺夫函数中包含第一个李雅普诺夫函数；S44、根据未建模动态原理和正切函数解决第二个李雅普诺夫函数中存在的动态不确定问题，根据引理和杨氏不等式解决第二个李雅普诺夫函数中存在的互联问题。利用双曲正切函数和模糊逻辑系统解决第二个李雅普诺夫函数中存在的未知函数；S45、对第二个李雅普诺夫函数进行求导，得到第二个李雅普诺夫函数的导数式；S46、引入自触发控制机制；S47、基于反步法设计第二虚拟控制信号α
m,2
和第二自适应律将第二虚拟控制信号α
m,2
和第二自适应律代入第二个李雅普诺夫函数的导数式中，若第二个李雅普诺夫函数的导数式满足则表明两级系统是渐近稳定的。
[0008]进一步地，步骤S3中，设计的使第一级系统趋于稳定的第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律为：
其中，c
m,i
,ρ
m,i
,a
m,1
,μ
m,1
均为设计参数，S
m,1
(
·
)为第一个模糊逻辑系统的基函数，为有限时间规定性能函数的导数，z
m,1
表示镇定误差，s
m,1
表示第一个补偿误差信号，x
m,1
为系统中需要控制的状态，为未知参数Θ
m,1
的估计值，表示第一个模糊逻辑系统的输入向量。
[0009]进一步地，步骤S4中，所设计的第二虚拟控制信号α
m,2
和第二自适应律为：为：其中，c
m,2
,ρ
m,2
,a
m,2
,μ
m,2
均为设计参数，为量化参数，ζ
m0
为饱和边界参数，S
m,2
(
·
)为模糊逻辑系统的基函数，为滞后量化器中表示的死区范围，z
m,2
表示误差面，z
m,1
表示镇定误差，s
m,2
表示第二个补偿误差信号，为未知参数Θ
m,2
的估计值，的估计值，表示第二个模糊逻辑系统的输入向量。
[0010]有益效果：(1)本专利技术通过借助李雅普诺夫泛函(Lyapunov
‑
Krasovskii Function，LKF)和双曲正切函数，使动态不确定、互联项和状态时滞的部分项成为模糊逻辑系统(Fuzzy Logic System,FLS)逼近的有界函数。此外，通过误差转换开发了自适应有限时间规定性能(Finite
‑
Time Prescribed Performance,FTPP)控制策略，其中应用改进的分数阶滤波器(Fractional
‑
Order Filter,FOF)来解决巨大的“计算量”，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，其特征在于，所述两级循环式化学反应器包括互联且非线性的第一、第二两个子系统，两个子系统均包含有第一级系统和第二级系统；所述自触发控制方法包括如下步骤：S1、根据两级循环式化学反应器的数学模型，考虑两个子系统均存在状态时滞和动态不确定性的情况下，构造具有量化输入特性的两级循环式化学反应器状态方程；S2、根据步骤S1得到的状态方程，构建有限时间规定性能函数l
m
以实现更好的暂态和稳态性能，同时定义误差转换函数，使得受约束的系统输出信号x
m,1
转换为不受约束的变量进而经过坐标变换得到两级系统的误差方程；S3、针对两个子系统中的第一级系统，构建第一个李雅普诺夫函数，基于反步法设计使第一级系统趋于稳定的第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律S4、针对两个子系统中的第二级系统，构建第二个李雅普诺夫函数，基于反步法设计第二虚拟控制信号α
m,2
和第二自适应律使得两级系统实现闭环稳定。2.根据权利要求1所述的一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：S31、构造分数阶滤波器，在引入误差补偿机制的基础上定义补偿误差信号，结合步骤S1得到的状态方程和步骤S2得到的误差方程对定义的补偿误差信号进行求导，得到第一级系统的误差动态方程；S32、针对循环式化学反应器的第一级系统，根据第一级系统的误差动态方程构造第一个李雅普诺夫函数，并对第一个李雅普诺夫函数进行求导，得到第一个李雅普诺夫函数的导数式；S33、根据未建模动态原理和正切函数解决第一级系统的误差动态方程中存在的动态不确定问题，根据引理和杨氏不等式解决第一级系统的误差动态方程中存在的互联问题。利用双曲正切函数和模糊逻辑系统解决第一个李雅普诺夫函数的导数式中存在的未知函数；S34、基于反步法设计使得第一级系统趋于稳定的第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律并将第一虚拟控制信号α
m,1
和第一自适应律代入第一个李雅普诺夫函数的导数式中，即得到第一级系统趋于稳定的不等式方程。3.根据权利要求2所述的一种用于两级循环式化学反应器的量化自触发控制方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：S41、考虑饱和非线性的存在对两级循环式化学反应器稳定性的影响，引入用于避免饱和非线性发生的饱和函数S42、结合步骤S1得到的状态方程、步骤S2得到的误差方程以及步骤S41引入的饱和函数对步骤S31定义的补偿误差信号进行求导，得到第二级系统的误差动态方程；S43、针对循环式化学反应器的第二级系统，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋帅，李灵晓，宋晓娜，赵旭辉，孙鹏，彭勃，刘家瑞，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：