氧化鋁連續(xù)碳酸化分解過(guò)程多重大時(shí)滯系統(tǒng)控制若干問(wèn)題研究.pdf

1、氧化鋁連續(xù)碳酸化分解過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)碳分過(guò)程）由六個(gè)分解槽串聯(lián)組成，通過(guò)控制各槽的二氧化碳?xì)怏w通入量，實(shí)現(xiàn)末槽的分解率要求，以生產(chǎn)出滿(mǎn)足一定質(zhì)量指標(biāo)的氫氧化鋁。由于六個(gè)分解槽地域跨度大，每個(gè)槽控制點(diǎn)到末槽的距離不同，物料傳質(zhì)所需的時(shí)間不同，導(dǎo)致每個(gè)槽控制量輸出到末槽分解率改變需要幾十分鐘甚至數(shù)個(gè)小時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)且各不相同，呈現(xiàn)出多重大時(shí)滯特性。多重大時(shí)滯的存在，造成末槽分解率信息無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的反饋給控制器，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指標(biāo)的閉環(huán)控制。并且多個(gè)控制

2、點(diǎn)的設(shè)置形成多個(gè)回路，不同控制回路間存在關(guān)聯(lián)耦合。當(dāng)?shù)V源改變或外界干擾引起生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)改變時(shí)，由工人調(diào)節(jié)到新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)需較長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)時(shí)間的工礦不穩(wěn)造成生產(chǎn)指標(biāo)波動(dòng)大，產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，研究碳分過(guò)程的解耦控制、時(shí)滯參數(shù)辨識(shí)、時(shí)間對(duì)應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制方法等問(wèn)題，對(duì)企業(yè)增產(chǎn)增效，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
　　 論文在深入分析碳分過(guò)程工藝和反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了碳分過(guò)程多重時(shí)滯動(dòng)態(tài)模型，提出了一種多變量時(shí)滯過(guò)程的解耦S

3、mith控制方法，基于改進(jìn)互相關(guān)函數(shù)和基于時(shí)效關(guān)聯(lián)分析矩陣的多重時(shí)滯參數(shù)辨識(shí)方法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)多重大時(shí)滯系統(tǒng)難以閉環(huán)穩(wěn)定控制的問(wèn)題，提出了時(shí)間對(duì)應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制方法和基于工藝指標(biāo)分解的分散控制策略，并將其應(yīng)用到碳分過(guò)程實(shí)際生產(chǎn)中，取得了較好的效果。論文主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　 (1)建立了碳分過(guò)程的多重時(shí)滯動(dòng)態(tài)反應(yīng)模型。在分析碳分過(guò)程運(yùn)行機(jī)理和生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)工業(yè)過(guò)程中連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的建模方法，基于物料平衡

4、原理建立碳分過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，該模型體現(xiàn)了碳分過(guò)程關(guān)聯(lián)、多重時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)。
　　 (2)針對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的多輸入多輸出時(shí)滯系統(tǒng)，用傳遞函數(shù)矩陣表示輸入、輸出之間的耦合關(guān)系，提出一種基于伴隨矩陣的解耦器設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)解耦后對(duì)象的幅頻和相頻特性分析，獲得對(duì)象的簡(jiǎn)化一階數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Smith預(yù)估控制結(jié)構(gòu)閉環(huán)特征方程的特點(diǎn)，提出基于Butterworth濾波器極點(diǎn)配置原理的PI控制器設(shè)計(jì)方法。考慮被控過(guò)程參數(shù)和

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等不確定性，分析了系統(tǒng)保證魯棒穩(wěn)定性的充要條件。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性并分析了該方法應(yīng)用于碳分過(guò)程的可行性。
　　 (3)為了解決碳分過(guò)程的多重時(shí)滯辨識(shí)難題，分別提出了基于改進(jìn)互相關(guān)函數(shù)和基于時(shí)效關(guān)聯(lián)分析矩陣的多重時(shí)滯參數(shù)辨識(shí)方法。對(duì)于工業(yè)過(guò)程中受控制信號(hào)影響的多個(gè)變量，選擇一個(gè)參考變量，考慮其它各變量和參考變量之間的相關(guān)性，基于有固定采樣周期的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)變量的數(shù)據(jù)組在不同相對(duì)時(shí)延對(duì)應(yīng)的互相關(guān)

6、矩陣的奇異值，其最大奇異值對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)延即為所求時(shí)滯。另一方面，從多重時(shí)滯序列的角度出發(fā)，考慮由多個(gè)變量之間的不同時(shí)滯組成的時(shí)滯序列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣，定義時(shí)效關(guān)聯(lián)分析矩陣，并用其H∞范數(shù)定量地描述數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其最大H∞范數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)滯序列即為所求多重時(shí)滯。比較分析兩種多重時(shí)滯辨識(shí)方法，將其分別應(yīng)用于碳分過(guò)程多重時(shí)滯辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了碳分過(guò)程模型參數(shù)并校驗(yàn)了時(shí)滯辨識(shí)結(jié)果。
　　 (4)針對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定控制困難的問(wèn)

7、題，提出了一種時(shí)間對(duì)應(yīng)參數(shù)自調(diào)整控制策略。首先討論了幾類(lèi)傳統(tǒng)方法對(duì)滯后時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘系統(tǒng)的控制效果，分析其難以閉環(huán)穩(wěn)定控制的根本原因是時(shí)滯很大導(dǎo)致控制量和輸出反饋量在時(shí)間上嚴(yán)重不對(duì)應(yīng)。通過(guò)引入大時(shí)滯系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)等效系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制量和反饋量間正確的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，再用脈沖響應(yīng)等效系統(tǒng)的輸出反饋量和設(shè)定值之間的偏差修正脈沖響應(yīng)系數(shù)和PID控制器參數(shù)以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整。最后分析了該控制方法的穩(wěn)定性并仿真對(duì)比證明了所提方法的優(yōu)越性。