CN111679578A - 一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制的设计方法。本发明的目的是为了让乙烯裂解炉温度***的ADRC控制器有实时在线调整参数的能力，从而使***在各个状态下都有较好的控制性能，故考虑在ADRC的基础上引入了模糊PID的算法，通过模糊控制规则在线对自抗扰控制器的参数进行实时调整，满足不同误差及误差变化率条件下的自抗扰控制器的要求。本发明的技术方案是通过自抗扰控制的分离定理，分别构造微分***、扩张状态观测器和由模糊控制器改进的非线性反馈环节，提出了一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法，该方法可有效提高***的控制性能。

Description

一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法

技术领域

本发明主要涉及自动化控制领域，具体涉及一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法。

背景技术

自抗扰控制(ADRC)是自上世纪九十年代发展起来的非线性鲁棒控制技术。在控制对象和控制***日益复杂的今天，传统的ADRC控制器渐渐无法满足控制需求，这主要表现在传统ADRC控制器的参数固定，并不能适应各类控制场合。为此，如何设计出一种能够实时在线调整ADRC参数的算法，保证***在各种状态下，对应的控制器都能有最优的参数，是本技术领域人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了让乙烯裂解炉温度***的ADRC控制器有实时在线调整参数的能力，从而使***在各个状态下都有较好的控制性能，故考虑在ADRC的基础上引入了模糊PID的算法，通过模糊控制规则在线对自抗扰控制器的参数进行实时调整，满足不同误差及误差变化率条件下的自抗扰控制器的要求。

本发明的技术方案是通过自抗扰控制的分离定理，分别构造微分***、扩张状态观测器和由模糊控制器改进的非线性反馈环节，提出了一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法，该方法可有效提高***的控制性能。

本发明具体步骤如下：

步骤1、设计跟踪微分器

对于普通二阶***，具体设计如下：

式中：r为***的跟踪速度因子，r的值越大，跟踪速度就越快，x₁(k)、x₂(k)为***的离散状态变量，h为积分步长，h₀为滤波因子，v(k)为***给定输入，fh具体算法如下：

其中需要整定的参数就是滤波因子h₀和速度因子r。积分步长一般尽量取大，但要保证***信号不失真，一般取h＝h₀＝0.01。速度因子一般也是尽量取大。

步骤2、设计扩张状态观测器

给出二阶***的非线性扩张状态观测器的形式，如下式所示：

式中e₁为***的观测误差,β₀₁为观测误差增益，β₀₂为观测误差变化率增益，β₀₃为观测误差加速度增益，Z₂₁为对***的输出估计量，Z₂₂为对Z₂₁变化率的估计量，Z₂₃为对Z₂₂变化率的估计量。b₀为补偿因子，u为***输入，y为***的输出。

离散后的扩张状态观测器很可能会出现一定的高频震颤现象，为了消除震颤，可将上式改写为如下形式：

其中：

其中e为误差信号，i为1或2。α_i与***阶次有关，δ为分段点，sign()为符号函数。fe为误差速度信号的非线性函数，fe₁为误差加速度信号的非线性函数。

步骤3、设计非线性误差反馈率

由于在自抗扰控制器中，为了实现动态补偿线性化，可将控制对象的模型误差与外部扰动都用

来表示，故非精确的一般二阶***模型可用如下微分方程表示：

其中

为输出变化率，

为

的变化率，

为总扰动。

二阶ADRC的控制律为：

u＝(u₀-Z₂₃)/b₀ (7)

其中u₀为非线性反馈得到的控制率，可由(10)式得出。将式(7)代入式(6)中可得：

ADRC中的ESO结构形式：

由ESO定义可知Z₂₃即为***外部干扰及建模误差的总估计量，故令Z₂₃＝f，代入式(8)中可得

此动态补偿过程利用ESO进行实时估计补偿扰动，把原***补偿称为线性积分串联型***，进而对***进行控制。而在FADRC中u₀可表示如下：

u₀＝k_pfal(e₁,α₁,δ)+k_dfal(e₂,α₂,δ),0<α₁<α₂ (10)

这里的k_p为FADRC控制器中模糊控制器输出的比例系数，k_d为模糊控制器输出的微分系数，模糊控制器的输入为ADRC控制器中TD环节与ESO环节之差。

k_p、k_d运行时值可以由下式得到，式中Δk_p为模糊控制器输出的比例系数增量，Δk_d为模糊控制器输出的微分系数增量，k_p0、k_d0为模糊控制器PD参数的初始值。

k_p＝k_p0+Δk_p

k_d＝k_d0+Δk_d (11)

对于步骤2中的设计的二阶扩张状态观测器，所对应最终的误差反馈率可以表示为：

其中：E₁为微分***对***输入的跟踪量与扩张状态观测器对***输出的估计量之差，E₂为E₁的变化率，Z₁₁为微分***对***输入的跟踪量，Z₁₂为Z₁₁变化率的估计量。

步骤4、整合前述步骤，按照自抗扰控制的分离性定理，对步骤1中的跟踪微分器，步骤2中的扩张状态观测器，步骤3中模糊控制器改进的非线性误差反馈率三部分组合为自抗扰控制器，对***进行控制。

本发明的有益效果：本发明提出了一种化工工业过程自抗扰控制方法，针对控制对象模型非完全已知的情况，改进了自抗扰控制器，使之具有实时在线调整参数的功能，进而找到最适合当前***状态的控制参数。

具体实施方式

以实际过程中乙烯裂解炉炉口温度***举例：

乙烯裂解炉的被控对象为乙烯裂解炉炉管出口温度，通过调节裂解炉的燃料流量来控制炉管出口温度平衡。

步骤1、设计乙烯裂解炉炉口温度***的跟踪微分器

对于二阶的乙烯裂解炉炉口温度***，具体设计如下：

式中：r为乙烯裂解炉炉口温度***的跟踪速度因子，r的值越大，跟踪速度就越快，x₁(k)、x₂(k)为乙烯裂解炉炉口温度***的离散状态变量，h为积分步长，h₀为滤波因子，v(k)为***给定输入，fh具体算法如下：

步骤2、设计乙烯裂解炉炉口温度***的扩张状态观测器

给出二阶乙烯裂解炉炉口温度***的非线性扩张状态观测器的形式，如下式所示：

式中e₁为乙烯裂解炉炉口温度***的观测误差,β₀₁为观测误差增益，β₀₂为观测误差变化率增益，β₀₃为观测误差加速度增益，Z₂₁为对乙烯裂解炉炉口温度***的输出估计量，Z₂₂为对Z₂₁变化率的估计量，Z₂₃为对Z₂₂变化率的估计量。b₀为补偿因子，u为乙烯裂解炉炉口温度***输入，y为乙烯裂解炉炉口温度***的输出。

离散后的扩张状态观测器很可能会出现一定的高频震颤现象，为了消除震颤，可将(3)式改写为如下形式：

其中：

其中e为误差信号，i为1或2。α_i与***阶次有关，δ为分段点，sign()为符号函数。fe为误差速度信号的非线性函数，fe₁为误差加速度信号的非线性函数。

步骤3、设计乙烯裂解炉炉口温度***的非线性误差反馈率

由于在自抗扰控制器中，为了实现动态补偿线性化，可将控制对象的模型误差与外部扰动都用

来表示，故可将非精确的二阶乙烯裂解炉炉口温度***的模型用如下微分方程表示：

其中

为输出变化率，

为

的变化率。

二阶ADRC的控制律为：

u＝(u₀-Z₂₃)/b₀ (7)

其中u₀为非线性反馈得到的控制率，可由(10)式得出。

将式(7)代入式(6)中可得：

ADRC中的ESO结构形式：

由ESO定义可知Z₂₃即为乙烯裂解炉炉口温度***外部干扰及建模误差的总估计量，故令Z₂₃＝f，代入式(8)中可得

此动态补偿过程利用ESO进行实时估计补偿扰动，把原乙烯裂解炉炉口温度***补偿称为线性积分串联型乙烯裂解炉炉口温度***，进而进行控制。而在FADRC中u₀可表示如下：

u₀＝k_pfal(e₁,α₁,δ)+k_dfal(e₂,α₂,δ),0<α₁<α₂ (10)

这里的k_p为FADRC控制器中模糊控制器输出的比例系数，k_d为模糊控制器输出的微分系数，模糊控制器的输入为ADRC控制器中TD环节与ESO环节之差。

k_p、k_d运行时值可以由下式得到，式中Δk_p为模糊控制器输出的比例系数增量，Δk_d为模糊控制器输出的微分系数增量，k_p0、k_d0为模糊控制器PD参数的初始值。

k_p＝k_p0+Δk_p

k_d＝k_d0+Δk_d (11)

对于步骤2中的设计的二阶扩张状态观测器，所对应最终的误差反馈率可以表示为：

其中：E₁为微分***对乙烯裂解炉炉口温度***输入的跟踪量与扩张状态观测器对乙烯裂解炉炉口温度***输出的估计量之差，E₂为E₁的变化率，Z₁₁为微分***对乙烯裂解炉炉口温度***输入的跟踪量，Z₁₂为Z₁₁变化率的估计量。

步骤4、整合前述步骤，按照自抗扰控制的分离性定理，对步骤1中的跟踪微分器，步骤2中的扩张状态观测器，步骤3中模糊控制器改进的非线性误差反馈率三部分组合为自抗扰控制器，对乙烯裂解炉炉口温度***进行控制。

综上，本发明提出了一种乙烯裂解炉炉口温度***的自抗扰控制方法。针对控制对象模型非完全已知的情况，改进了自抗扰控制器，使之具有实时在线调整参数的功能，进而找到最适合当前***状态的控制参数。

Claims (3)

1.一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法，该方法中的被控对象为乙烯裂解炉炉管出口温度，通过调节裂解炉的燃料流量来控制炉管出口温度平衡，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、设计乙烯裂解炉炉口温度***的跟踪微分器

对于二阶的乙烯裂解炉炉口温度***，具体设计如下：

式中：r为乙烯裂解炉炉口温度***的跟踪速度因子，x₁(k)、x₂(k)为乙烯裂解炉炉口温度***的离散状态变量，h为积分步长，h₀为滤波因子，v(k)为***给定输入，fh为设定的算法表达；

步骤2、设计乙烯裂解炉炉口温度***的扩张状态观测器

给出二阶乙烯裂解炉炉口温度***的非线性扩张状态观测器的形式，如下式所示：

式中e₁为乙烯裂解炉炉口温度***的观测误差,β₀₁为观测误差增益，β₀₂为观测误差变化率增益，β₀₃为观测误差加速度增益，Z₂₁为对乙烯裂解炉炉口温度***的输出估计量，Z₂₂为对Z₂₁变化率的估计量，Z₂₃为对Z₂₂变化率的估计量；b₀为补偿因子，u为乙烯裂解炉炉口温度***输入，y为乙烯裂解炉炉口温度***的输出；

步骤3、设计乙烯裂解炉炉口温度***的非线性误差反馈率

将控制对象的模型误差与外部扰动都用

来表示，故可将非精确的二阶乙烯裂解炉炉口温度***的模型用如下微分方程表示：

其中

为输出变化率，

为

的变化率；

二阶自抗扰控制的控制律为：

u＝(u₀-Z₂₃)/b₀

其中u₀为非线性反馈得到的控制率；

可得：

则自抗扰控制中的ESO结构形式：

由ESO定义可知Z₂₃即为乙烯裂解炉炉口温度***外部干扰及建模误差的总估计量，故令Z₂₃＝f，可得

此动态补偿过程利用ESO进行实时估计补偿扰动，把原乙烯裂解炉炉口温度***补偿称为线性积分串联型乙烯裂解炉炉口温度***，进而进行控制；其中u₀表示如下：

u₀＝k_pfal(e₁,α₁,δ)+k_dfal(e₂,α₂,δ),0<α₁<α₂

这里的k_p为FADRC控制器中模糊控制器输出的比例系数，k_d为模糊控制器输出的微分系数，模糊控制器的输入为ADRC控制器中TD环节与ESO环节之差；

对于步骤2中的非线性扩张状态观测器，所对应最终的误差反馈率表示为：

其中：E₁为微分***对乙烯裂解炉炉口温度***输入的跟踪量与扩张状态观测器对乙烯裂解炉炉口温度***输出的估计量之差，E₂为E₁的变化率，Z₁₁为微分***对乙烯裂解炉炉口温度***输入的跟踪量，Z₁₂为Z₁₁变化率的估计量；

步骤4、整合前述步骤，按照自抗扰控制的分离性定理，对步骤1中的跟踪微分器，步骤2中的扩张状态观测器，步骤3中模糊控制器改进的非线性误差反馈率三部分组合为自抗扰控制器，对乙烯裂解炉炉口温度***进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法，其特征在于：为了消除步骤2中非线性扩张状态观测器高频震颤现象，将非线性扩张状态观测器表达式改写为如下形式：

其中：

其中e为误差信号，i为1或2；α_i与***阶次有关，δ为分段点，sign()为符号函数；fe为误差速度信号的非线性函数，fe₁为误差加速度信号的非线性函数。

3.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉温度***的新型自抗扰控制方法，其特征在于：步骤3中的k_p、k_d运行时值可以由下式得到，式中Δk_p为模糊控制器输出的比例系数增量，Δk_d为模糊控制器输出的微分系数增量，k_p0、k_d0为模糊控制器PD参数的初始值；

k_p＝k_p0+Δk_p

k_d＝k_d0+Δk_d。