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氧化铝连续碳酸化分解过程多重大时滞系统控制若干问题研究

作　者: 黄灿
导　师: 桂卫华
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 连续碳酸化分解过程多重大时滞系统多重时滞动态反应模型解耦Smith控制多重时滞参数辨识时间对应参数自调整控制工艺指标分解
分类号: TQ133.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

氧化铝连续碳酸化分解过程(简称碳分过程)由六个分解槽串联组成,通过控制各槽的二氧化碳气体通入量,实现末槽的分解率要求,以生产出满足一定质量指标的氢氧化铝。由于六个分解槽地域跨度大,每个槽控制点到末槽的距离不同,物料传质所需的时间不同,导致每个槽控制量输出到末槽分解率改变需要几十分钟甚至数个小时,时间长且各不相同,呈现出多重大时滞特性。多重大时滞的存在,造成末槽分解率信息无法实时准确的反馈给控制器,难以实现生产指标的闭环控制。并且多个控制点的设置形成多个回路,不同控制回路间存在关联耦合。当矿源改变或外界干扰引起生产过程稳态工作点改变时,由工人调节到新的稳态工作点需较长时间。长时间的工矿不稳造成生产指标波动大,产品质量不合格。因此,研究碳分过程的解耦控制、时滞参数辨识、时间对应参数自调整控制方法等问题,对企业增产增效,提高企业经济效益具有重要意义。论文在深入分析碳分过程工艺和反应机理的基础上,建立了碳分过程多重时滞动态模型,提出了一种多变量时滞过程的解耦Smith控制方法,基于改进互相关函数和基于时效关联分析矩阵的多重时滞参数辨识方法。在此基础上,针对多重大时滞系统难以闭环稳定控制的问题,提出了时间对应参数自调整控制方法和基于工艺指标分解的分散控制策略,并将其应用到碳分过程实际生产中,取得了较好的效果。论文主要研究工作及创新性成果如下：(1)建立了碳分过程的多重时滞动态反应模型。在分析碳分过程运行机理和生产工艺的基础上,根据工业过程中连续搅拌反应釜的建模方法,基于物料平衡原理建立碳分过程的动态模型,该模型体现了碳分过程关联、多重时滞、非线性的特点。(2)针对实际工业生产中常见的多输入多输出时滞系统,用传递函数矩阵表示输入、输出之间的耦合关系,提出一种基于伴随矩阵的解耦器设计方法。通过对解耦后对象的幅频和相频特性分析,获得对象的简化一阶数学模型。在此基础上,结合Smith预估控制结构闭环特征方程的特点,提出基于Butterworth滤波器极点配置原理的PI控制器设计方法。考虑被控过程参数和执行机构等不确定性,分析了系统保证鲁棒稳定性的充要条件。最后通过仿真验证了所提方法的有效性并分析了该方法应用于碳分过程的可行性。(3)为了解决碳分过程的多重时滞辨识难题,分别提出了基于改进互相关函数和基于时效关联分析矩阵的多重时滞参数辨识方法。对于工业过程中受控制信号影响的多个变量,选择一个参考变量,考虑其它各变量和参考变量之间的相关性,基于有固定采样周期的工业现场数据,通过计算两个变量的数据组在不同相对时延对应的互相关矩阵的奇异值,其最大奇异值对应的相对时延即为所求时滞。另一方面,从多重时滞序列的角度出发,考虑由多个变量之间的不同时滞组成的时滞序列对应的数据矩阵,定义时效关联分析矩阵,并用其H。范数定量地描述数据矩阵内部的关联关系,其最大H∞范数对应的时滞序列即为所求多重时滞。比较分析两种多重时滞辨识方法,将其分别应用于碳分过程多重时滞辨识,在此基础上计算了碳分过程模型参数并校验了时滞辨识结果。(4)针对大时滞系统闭环稳定控制困难的问题,提出了一种时间对应参数自调整控制策略。首先讨论了几类传统方法对滞后时间长达几十分钟系统的控制效果,分析其难以闭环稳定控制的根本原因是时滞很大导致控制量和输出反馈量在时间上严重不对应。通过引入大时滞系统的脉冲响应等效系统,协调控制量和反馈量间正确的时间对应关系,再用脉冲响应等效系统的输出反馈量和设定值之间的偏差修正脉冲响应系数和PID控制器参数以实现在线调整。最后分析了该控制方法的稳定性并仿真对比证明了所提方法的优越性。(5)针对碳分过程多重大时滞系统的控制问题,提出了基于工艺指标分解的分散控制策略。将末槽分解率工艺指标分解为各槽的分解率梯度,以二氧化碳气体通入量为优化目标,采用遗传算法求解动态约束优化问题以获得分解率梯度优化设定值,从而将碳分过程多重大时滞系统控制分解为每个槽的大时滞对象控制。运用时间对应参数自调整控制方法对碳分过程各槽大时滞系统进行分散控制,仿真和工业应用结果表明所提方法能较好地解决碳分过程的控制问题。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-26
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 氧化铝连续碳酸化分解过程研究现状  13-15
  1.3 时滞系统研究现状  15-24
    1.3.1 时滞辨识方法研究  15-19
    1.3.2 时滞系统控制方法研究  19-23
    1.3.3 多重时滞系统控制方法研究  23-24
  1.4 本文的研究内容和结构安排  24-26
第二章氧化铝连续碳酸化分解过程动态模型  26-41
  2.1 碳酸化分解机理  26-28
  2.2 连续碳酸化分解过程工艺  28-34
    2.2.1 工艺简介  28-29
    2.2.2 主要影响因素分析  29-32
    2.2.3 分解指标的控制  32-33
    2.2.4 工艺特点  33-34
  2.3 氧化铝连续碳分过程动态数学模型  34-40
    2.3.1 连续搅拌反应釜模型  34-36
    2.3.2 多重时滞动态反应模型  36-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章多变量时滞过程解耦Smith控制方法研究  41-56
  3.1 多变量时滞过程解耦Smith控制  41-51
    3.1.1 问题描述  43
    3.1.2 解耦Smith控制设计  43-46
    3.1.3 鲁棒稳定性分析  46-48
    3.1.4 仿真研究  48-51
  3.2 时滞对象的Smith控制方法讨论  51-54
  3.3 本章小结  54-56
第四章氧化铝碳分过程多重时滞参数辨识  56-79
  4.1 过程数据预处理  56-58
    4.1.1 异常数据处理  56-57
    4.1.2 数据标准化处理  57-58
  4.2 基于改进互相关函数的碳分过程多重时滞辨识  58-66
    4.2.1 基于改进互相关函数的多重时滞辨识方法  59-61
    4.2.2 基于改进互相关函数的碳分过程多重时滞辨识  61-66
  4.3 基于时效关联分析矩阵的碳分过程多重时滞辨识  66-71
    4.3.1 基于时效关联分析矩阵的多重时滞辨识方法  66-69
    4.3.2 基于时效关联分析矩阵的碳分过程多重时滞辨识方法  69-71
    4.3.3 两种多重时滞辨识方法的比较  71
  4.4 氧化铝碳分过程模型参数计算  71-76
    4.4.1 铝酸钠溶液自发分解反应速度常数k_i  72-74
    4.4.2 二氧化碳气体吸收率σ_i  74-76
  4.5 碳分过程模型分析  76-77
  4.6 本章小结  77-79
第五章大时滞系统时间对应参数自调整控制策略  79-98
  5.1 大时滞系统控制方法讨论  79-84
  5.2 大时滞系统时间对应参数自调整控制策略  84-97
    5.2.1 时间对应参数自调整控制策略  85-91
    5.2.2 稳定性分析  91-93
    5.2.3 仿真分析  93-97
  5.3 本章小结  97-98
第六章氧化铝碳分过程多重大时滞系统控制策略研究  98-117
  6.1 基于工艺指标分解的碳分过程多重大时滞系统分散控制  98-108
    6.1.1 问题的提出  98-99
    6.1.2 碳分过程工艺指标分解  99-103
    6.1.3 基于遗传算法的分解率梯度动态优化求解  103-108
  6.2 碳分过程基于TCPSA策略的分散控制  108-115
    6.2.1 碳分过程单个分解槽非线性模型的线性化  108-111
    6.2.2 基于TCPSA策略的分散控制  111-115
  6.3 本章小结  115-117
第七章结论与展望  117-120
  7.1 结论  117-118
  7.2 展望  118-120
参考文献  120-131
致谢  131-132
攻读学位期间主要的研究成果  132-133

氧化铝连续碳酸化分解过程多重大时滞系统控制若干问题研究

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