[发明专利]具有多速率采样连续搅拌釜式反应器的滚动时域估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多速率采样系统的滚动时域估计方法，尤其涉及一种多速率采样连续搅拌釜式反应器的滚动时域估计方法。

背景技术

连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，简称为CSTR）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器。CSTR在化工生产的核心设备中占有相当重要的地位，在染料、医药试剂、食品及合成材料工业中，CSTR得到了广泛的应用。

在早期反应釜的自动控制中，一般采用单元组合仪表组成的位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单的控制方式很难达到理想的控制精度。随着计算机技术的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统。计算机控制系统需要使用传感器采集离散信息，设计离散控制器。在聚合化学反应中，反应釜内的温度和压力能够通过传感器测量快速得到。反应物的分子量及浓度则采用凝胶渗透色谱法得到。相比于温度和压力的测量周期，分子量和浓度的测量周期将会更长。所以，CSTR中的对温度和浓度的测量采样频率是不相同的，即多速率采样。对于多速率采样，在不同的采样时刻得到的测量输出数据量是不同的，并会导致测量信息不完整。因此需要利用有限的测量信息来估计系统状态，反应系统的实时性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于具有多速率采样连续搅拌釜式反应器的滚动时域估计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有多速率采样连续搅拌釜式反应器的滚动时域估计方法，具体步骤如下：

（1）、对CSTR装置进行状态空间建模，并确定其正常工作的工作范围和工作范围内的稳态工作点。

（2）、在工作范围内的稳态工作点附近将CSTR的状态空间模型线性化。

（3）、设定系统的标准采样周期和各个传感器的采样周期，将线性化的CSTR状态空间模型离散化，对于未采样的测量输出用预测值补偿，得到多速率的CSTR线性离散化状态空间模型。

（4）、设定滚动时域窗口长度N和权重矩阵，将多速率CSTR的滚动时域估计问题转化为等价的最小化问题。

（5）、通过一阶最优性原理求解步骤（4）设定的最小化问题，具体步骤如下：

S1-1：初始化，设定测试时间长度K，在可行域的区间范围内，任意初始化k时刻的先验估计值，k-N时刻到k时刻的测量输出序列；

S1-2：根据一阶最优性原理，以k时刻的先验估计值为初始迭代点，对步骤（4）中的最小化问题求一阶偏导数，得到k-N时刻最优估计值；

S1-3：根据滚动优化原理，计算当前k时刻的最优估计值；

S1-4：根据k时刻的最优估计值更新k+1时刻的先验估计值；

S1-5：判断终止条件：如果k=K，结束，得到信噪比估计最优值；否则，k=k+1，转到S1-2。

本发明的技术构思为：本发明考虑了CSTR内聚合反应过程中对反应釜内的温度和反应物浓度测量频率的差异，给出了一种具有多速率采样的CSTR线性离散化状态空间模型，设计了基于滚动时域估计方法的CSTR状态估计器，给出了反应釜内温度和反应物浓度的最优估计值。

从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果主要表现在：多速率CSTR滚动时域估计方法，与已有的估计方法相比，滚动时域估计方法能够滚动优化和在线计算，并对传感器没有采样的时刻用预测值替代起到很好的补偿作用，从而能够更加准确地给出反应釜内各参数的值。

附图说明

图1是本发明实施例中CSTR示意图。

图2是本发明实施例中求解最小化问题的流程图。

图3是本发明实施例中，采用本发明方法的效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

参照图1～图3，一种具有多速率采样CSTR的滚动时域估计方法，将本发明提出的滚动时域估计方法用于一阶并行反应CSTR的状态估计，其目的是估计出反应釜内的反应物浓度和温度。一阶并行反应，即往CSTR中加入某物质A，进入反应釜后，A发生化学反应生成物B，同时由于反应釜内的强反应，部分物质B生成物质C，并达到化学平衡的过程。接下来介绍具体实施步骤：

（1）、对附图1所示一阶并行反应CSTR装置进行状态空间建模，并确定其正常工作的工作范围和工作范围内的稳态工作点。如附图1所示，建立一阶并行反应CSTR的状态空间模型如下所示：