[发明专利]基于复合观测器的CSTR系统固定时间容错控制方法

说明书

本发明提供一种基于复合观测器的CSTR系统固定时间容错控制方法，本发明采用复合观测器与神经网络逼近技术相结合，首次将自适应固定时间指令滤波方法和容错控制方法应用到连续搅拌釜式反应器系统中进行浓度、温度控制的研究；与有限时间算法相比，本发明具有较好的暂态性能；与自适应反步控制方法相比，减小了计算复杂的问题，同时保证了CSTR系统发生故障的情况下，依旧对系统进行良好的控制；利用本发明，可以实现对过程对象的控制，本发明中采用的控制方法具有很好的鲁棒性、实时性和稳定性，可以有效改善连续搅拌釜式反应器系统的动态特性，提高经济效益。

技术领域

本发明涉及化工工业自动控制领域，具体涉及基于复合观测器的CSTR系统固定时间容错控制方法。

背景技术

连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred-Tank Reactor,简称CSTR)是一种具有强非线性的化学反应器，对它的控制大都算法复杂且鲁棒性和实时性相对来说较差。基于此，对CSTR系统的控制方法研究显然具有很重要的理论价值和实际意义。对于一个CSTR系统而言，釜内温度是衡量其性能的重要参数之一，在实际生产中，釜内温度通常会对产品的质量和产量造成极大的影响，因此是决定性的因素之一。

CSTR反应温度是聚合反应过程最重要的控制参数，其控制品质与生产安全、生产效率和经济效益密切相关。由于聚合反应绝大部分是放热反应，一旦热交换系统出现故障，不仅会使生产效益变低，也对实际过程中的操作安全产生了影响。一旦CSTR温度控制失效，可能会引起非正常紧急停车，停产事故，严重时甚至导致火灾、爆炸事故，造成人员和设备财产损失。

与渐近收敛方法不同，有限时间控制方法可以保证跟踪误差较快地收敛到平衡点，但是其整定收敛时间与初始状态密切相关。由于在CSTR系统中初始条件大都属于未知状态，固定时间控制算法的整定收敛时间与初始值无关，进一步解决了在CSTR系统中未知初始条件下整定收敛时间的问题。

除此之外，反应浓度也是必须考虑的因素，可直接反映釜内的反应状况和实际的产品质量。因此，反应浓度的实时监测也是一个重要的任务。但在实际的化工生产过程中，浓度和温度的实时监测具有非常高的复杂性，费用成本昂贵，在检测条件、成本费用等诸多方面都很受限。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出一种基于复合观测器的CSTR系统固定时间容错控制方法来对系统进行实时估计,本发明通过使用复合观测器来构造状态观测器和扰动观测器对系统中不可测量的状态和干扰进行测量，该容错控制器用于将控制系统的状态轨迹在固定时间内驱使到并维持在设定子流形上，同时在故障发生时依旧具有较好的控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于复合观测器的CSTR系统固定时间容错控制方法，该复合观测器包括状态观测器和扰动观测器，分别用于估计系统中不可测量的状态和外部干扰，

该容错控制方法包括以下步骤：

步骤1、根据CSTR系统的浓度、温度数学模型，建立带有扰动的CSTR系统模型；

步骤2、将步骤1建立的CSTR系统模型表示为状态空间模型，并构造相应的状态观测器和扰动观测器来估计系统中不可测量的状态和干扰，并参照观测误差系统进行李雅普诺夫稳定性分析；

步骤3、根据步骤2建立的状态空间模型，针对各个子系统设计相应的虚拟控制信号和自适应律；

步骤4、在步骤3的基础上，设计容错控制器，使得CSTR系统满足实际固定时间稳定条件，即完成了CSTR系统的浓度、温度控制。

进一步的，步骤1具体包括：

步骤1.1，首先根据CSTR系统结构图，建立CSTR系统的浓度、温度数学模型：