電加熱微型反應(yīng)器的串級自適應(yīng)預(yù)估控制

1、電加熱微型反應(yīng)器的串級自適應(yīng)預(yù)估控制         摘 要： 針對電加熱反應(yīng)器這類大慣性對象，提出了一種基于參考模型的串級自適應(yīng)預(yù)估控制算法，它用反應(yīng)器壁溫預(yù)估反應(yīng)器內(nèi)溫，通過自適應(yīng)律消除預(yù)估誤差。實驗表明這種算法可以很好地克服對象的慣性，對于串級大慣性對象具有很好的控制作用。     關(guān)鍵詞： 反應(yīng)器 自適應(yīng)控制 串級控制    電加熱微型反應(yīng)器是化學(xué)和化工實驗室中常用的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)層為裝有催化劑的反應(yīng)管，為減少環(huán)境變化對反應(yīng)管

2、溫度的影響，在反應(yīng)管外套有一金屬慣性體，慣性體外是耐火爐瓦，爐瓦上繞有電加熱線，爐壁內(nèi)裝有保溫層。反應(yīng)器的主要控制目標(biāo)是保證反應(yīng)管內(nèi)部溫度以±0.5°的精度穩(wěn)定在期望的溫度值上，同時超調(diào)又不能太大。由于該反應(yīng)器是實驗設(shè)備，其工作方式基本上是每天早晨一上班就開始加電升溫，等溫度穩(wěn)定在希望值上后，開始作實驗，實驗結(jié)束后關(guān)閉。這種工作方式要求反應(yīng)器的升溫過程在不超調(diào)的前提下越快越好，以提高工作效率。    從反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可知反應(yīng)器的內(nèi)溫對象是典型的高階大慣性對象，用常規(guī)的單回路PID調(diào)節(jié)器對反應(yīng)管溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，很難滿足過渡過程短、超調(diào)小、穩(wěn)定精度

3、高的控制要求。為此可考慮采用串級控制，取反應(yīng)管內(nèi)溫為主對象，反應(yīng)器壁溫為副對象，我們測得主對象和副對象的傳遞函數(shù)分別為：    其中時間常數(shù)單位為s。從中可以看出壁溫對象的時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)溫對象的時間常數(shù)，來自環(huán)境變化和電源電壓變化等干擾可以很快地由副回路來克服，實驗表明串級控制與單回路控制相比，控制質(zhì)量有較大提高，但是超調(diào)量還是很大，過渡過程還是較長，不能滿足系統(tǒng)的控制性能要求。分析其主要原因是內(nèi)溫對象的慣性太大，使得主回路的調(diào)節(jié)作用不能太強，調(diào)節(jié)不及時。針對這一問題，我們決定對內(nèi)溫進(jìn)行預(yù)估控制，以提高其響應(yīng)速度和控制質(zhì)量。   

4、 反應(yīng)器內(nèi)溫的串級自適應(yīng)預(yù)估控制    如何對反應(yīng)器內(nèi)溫進(jìn)行預(yù)估呢？通過實驗研究，我們決定選用響應(yīng)比內(nèi)溫快的壁溫來預(yù)估內(nèi)溫，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其基本思想是將壁溫乘以一系數(shù)，得到作為內(nèi)溫的預(yù)估值，將作為主回路的反饋值。由于的取值不當(dāng)，可能會造成預(yù)估值與實際值之間有誤差，因此有必要對進(jìn)行修正?？刹捎脜⒖寄Ｐ妥赃m應(yīng)法對進(jìn)行修正，取參考模型為    將同時送入（）和，模型輸出與實際內(nèi)溫的偏差反應(yīng)了預(yù)估誤差，利用通過自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)，使得模型輸出與內(nèi)溫對象之間無偏差，此時可以被認(rèn)為是的穩(wěn)態(tài)值，因此本預(yù)估方法的實質(zhì)是用壁溫來預(yù)估內(nèi)溫的穩(wěn)態(tài)值，其關(guān)鍵問

5、題是如何選取自適應(yīng)律。    自適應(yīng)律的推導(dǎo)    自適應(yīng)律的作用就是利用來自動地修正，使得趨近于零，模型輸出與實際內(nèi)溫相等，這時相當(dāng)于的穩(wěn)態(tài)值，從而實現(xiàn)了用來預(yù) 估的目的。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性定理可推得自適應(yīng)律為：    圖3是串級自適應(yīng)預(yù)估控制與串級PID控制的階躍輸入仿真實驗曲線。通過仿真實驗研究可以看出串級自適應(yīng)預(yù)估控制與串級PID控制相比，控制質(zhì)量有很大提高，超調(diào)量小，過渡過程快，穩(wěn)定精度高，抗干擾能力強，很好地滿足了對系統(tǒng)控制性能的要求。    將本文所述的控制算法用于實際電加熱反應(yīng)器控制中，證明本算法具有明顯的優(yōu)點。原來用串級PID控制時，反應(yīng)器從開始升溫到溫度穩(wěn)定在期望值上，一般需要3個多小時，從早上開始升溫，到中午溫度才能穩(wěn)定下來，整個上午幾乎無法進(jìn)行實驗，而且超調(diào)量很大（大于5%）。采用串級自適應(yīng)預(yù)估控制后，從開始升溫到溫度穩(wěn)定在期望值上，只需要1個半小時左右，超調(diào)量很?。ㄐ∮?%）。    通過仿真實驗研究和具體實踐，證明本文所述算法對于電加熱反應(yīng)