專利名稱：建立基于增量建模的大型化工生產(chǎn)裝置電氣自動化系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于過程工業(yè)智能控制領(lǐng)域，涉及一種建立大型化工生產(chǎn)裝置電 氣系統(tǒng)總體控制方案的方法。
背景技術(shù)：
大型化工生產(chǎn)裝置承擔著主要化工產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)任務(wù)，具有化工流程 復雜，對工藝技術(shù)指標和生產(chǎn)連續(xù)性要求高的特點。大型腈綸生產(chǎn)裝置就是 其中的一種典型設(shè)備。其一般由二十多個工位共三百多臺電機及其它輔助配 套設(shè)備組成，腈綸絲束經(jīng)過牽伸、水洗、熱牽伸、烘干、定型等工藝流程后 成為合格的腈綸纖維，各工位的工藝要求區(qū)別很大，模型復雜多樣；實際運 行時生產(chǎn)線線速度達280m/s，且要求同歩控制精度<0.1%和7x24小時連續(xù)生 產(chǎn)，對控制系統(tǒng)的控制精度、安全性和可靠性要求苛刻。因此其控制系統(tǒng)總 體方案的設(shè)計方法具有代表性，易推廣到其他大型化工生產(chǎn)裝置的控制系統(tǒng) 設(shè)計中。
現(xiàn)有的腈綸生產(chǎn)工藝與設(shè)備已經(jīng)比較成熟完備，存在的一個主要問題是 生產(chǎn)線上的相鄰工位的線速度必須高度匹配，否則會導致絲束牽引過緊或過 松，情況嚴重時就會影響絲束質(zhì)量并容易誘發(fā)纏輥事故。根據(jù)經(jīng)驗，同歩控 制精度<0.1%時才能保證裝置平穩(wěn)運行。
傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)總體方案采用提升控制精度的方法來提升同步控制精度， 將整套生產(chǎn)裝置按照工藝特點分割為幾個子系統(tǒng)，對每個子系統(tǒng)進行高精度 的建模，計算每個工位的基準線速度，并采用高精度的電機和檢測元件，使 用分散控制方法使每個工位的控制精度都低于0.05%，以保證生產(chǎn)裝置運行平穩(wěn)。但是這種方法沒有考慮到子系統(tǒng)之間的耦合作用，而生產(chǎn)裝置的線速 度越高，系統(tǒng)慣性就越大，子系統(tǒng)之間的耦合作用力就越明顯。因此傳統(tǒng)的
總體控制方案的局限性使生產(chǎn)裝置很難穩(wěn)定的運行在較高紡速下(200m/s以
上)，生產(chǎn)效率不高。另外在裝置開車時，要求系統(tǒng)運行在較低的工作速度下， 等運行穩(wěn)定后再切換到高速。由于分散控制的特點，切換時需要人工參與輔 助控制(出自《腈綸工藝手冊》，中石油大慶煉化公司腈綸廠)。
文獻《大系統(tǒng)增量建模與最優(yōu)控制研究》(王慶超，喻寶財。宇航學報，
1997， Vo120， No3)和《基于最優(yōu)保性能控制的互聯(lián)大系統(tǒng)實例研究》(王慶 超，蔡鵬。哈爾濱工業(yè)大學學報，2005， Vo137， Nol2)從理論上證明了增量 建模方法的有效性，但沒有對模型的具體參數(shù)確定做進一步的分析，在實際 應用到大型腈綸生產(chǎn)裝置中會遇到一些實際問題，導致達不到預期的同步控 制精度。主要的問題有 一、絲束并不時完全均勻的纏繞在圓輥上，負載的 波動會影響相鄰工位之間的耦合作用；二、當生產(chǎn)裝置運行在不同的工作速 度下時，相鄰工位之間的耦合作用是非線性的，增量建模方法建立的線性模 型會存在一定的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)總體方案存在的控制魯棒性較差、控制精 度較低和系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題，提出一種建立基于增量建模的大型化工生 產(chǎn)裝置電氣自動化系統(tǒng)的方法。本發(fā)明包括以下歩驟
步驟一，以生產(chǎn)裝置各工位的工位線速度增量為系統(tǒng)變量建立每一個工
位的差分方程A^y"+'(左+1) = aAaO) + + + 6肝,A^二(A)，
式中的A《表示控制器給出的第"個工位的線速度增量信號，A氣表示第n個 工位實際的線速度增量，A鄉(xiāng)表示工位線速度增量的積分，用于補償可能存在的松弛關(guān)節(jié)的影響，^為指定的基準工位，^為基準工位的線速度，即生 產(chǎn)裝置的標稱速度；
步驟二，將所得差分方程聯(lián)立，令x(A)^A^0t),A (A:),L ，Aw戶(叫T， u0t)^[A《(A),A《(Q,L ，A《+^)了 ，得到矩陣形式的模型方程 X(A: + l) = (A + AA)x(" + Bu("，式中的J為下三角陣，代表各工位之間線速度
增量的耦合關(guān)系，由工位線速度和工位牽伸比決定，AA為下三角陣，是模型 不確定性的上確界，代表負載波動和速度波動對各工位之間線速度增量耦合 關(guān)系的影響；S為對角陣，是各工位與基準工位之間的線速度比值；
步驟三，根據(jù)系統(tǒng)要求確定二次型性能指標J:IX《Q^+iilRuJ，并通
過控制量受限形式的最優(yōu)保性能控制方法，獲得矩陣不等式的最優(yōu)解 min "的系統(tǒng)反饋控制律。
有益效果本發(fā)明首先在速度增量的系統(tǒng)模型中增加了不確定性項，提 高了系統(tǒng)的控制精度；同時在系統(tǒng)中加入了最優(yōu)保性能控制，實現(xiàn)了模型參 數(shù)一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)的最優(yōu)控制，改進了以往使用的最優(yōu)控制系統(tǒng)魯棒 性較差的缺點，在各種環(huán)境更加惡劣的工業(yè)現(xiàn)場具有更好的穩(wěn)定性，對各種 大型過程拖動控制系統(tǒng)都有推廣意義。


圖1和圖2分別是本發(fā)明的系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)示意圖的兩個部分，圖1 中的H處與圖2中的H處相連接，圖1中的L處與圖2中的L處相連接； 圖3是依據(jù)實際的物理系統(tǒng)建立遞階的系統(tǒng)框圖。
圖1中的F1表示計量泵，F(xiàn)2表示轉(zhuǎn)向輥，F(xiàn)3表示入口輥，F(xiàn)4表示出口 輥，F(xiàn)5 F9表示絲束水洗，F(xiàn)10表示入口輥，F(xiàn)ll表示出口輥，F(xiàn)12表示冷卻牽引輥；圖2中的F13表示鋪絲機，F(xiàn)14表示擠水輥，F(xiàn)15表示定型入口輥， F16表示轉(zhuǎn)盤機，F(xiàn)17表示傳送帶。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖1 圖3，本實施方式由以下步驟組成 步驟一，以生產(chǎn)裝置各工位的工位線速度增量為系統(tǒng)變量建立每一個工 位的差分方程Aw +1(& +1) = + + a〃A氣("+ ，
式中的A《表示控制器給出的第"個工位的線速度增量信號，A氣表示;
,水
工位實際的線速度增量，A浙表示工位線速度增量的積分，用于補償可能存 在的松弛關(guān)節(jié)的影響，t為指定的基準工位，^為基準工位的線速度，即生 產(chǎn)裝置的標稱速度；
步驟二，將所得差分方程聯(lián)立，令x( 「A%(",A (A),L
u(" = A《0), A《(",L , (A)
得到矩陣形式的模型方程
x(A + l)—A + AA)x⑨+ Bu⑨，式中的j為下三角陣，代表各工位之間線速度 增量的耦合關(guān)系，.由工位線速度和工位牽伸比決定，AA為下三角陣，是模型 不確定性的上確界，代表負載波動和速度波動對各工位之間線速度增量耦合 關(guān)系的影響；S為對角陣，是各工位與基準工位之間的線速度比值；
步驟三，根據(jù)系統(tǒng)要求確定二次型性能指標J二l;(x:Q、+ulRu。，并通
"0
過控制量受限形式的最優(yōu)保性能控制方法，獲得矩陣不等式的最優(yōu)解 min a的系統(tǒng)反饋控制律。整個系統(tǒng)是一個由13個變頻調(diào)速子系統(tǒng)構(gòu)成的互聯(lián)大系統(tǒng)。為了簡化問題， 將每一個子系統(tǒng)看成是一個一階系統(tǒng)來建立增量型模型。13個工位的子系統(tǒng) 由13個一階差分方程來表示，其中AW為系統(tǒng)控制器給出的工位線速度增量 信號，Acy表示工位上實際的線速度增量，A必代表實際的線速度增量的積分，
即位置增量信號。 第一層狀態(tài)差分方程-
F11: Aa>') (A +1) = 6， ， A《(A)
第二層狀態(tài)差分方程
F4: A< 4 (A +1) = auAfi^⑨+ 64 A《(1) F5 : A&>5(/t +1) = a,'A(2^(^:) + 65A《(" F12 :Affi)12(A: + l) = fl^A(yn(^) + 6,2Af《2(^)
第三層狀態(tài)差分方程
F1: (A +1) = a) ,Ac;,, (" + a4 Aw4 (々)+《A< (A:) F2: Ao2(A +1) = a， ,△ ("+ <34Aft>4 (A:) + 62A6>2C (A) F3 : Affi 3(A: +1) = ^Aft^W + a4Affi>4(l) + 63A《(A:) F6: A<y6 (A +1) = q' , (1) + <35 Aw5 (" + 66 A《(1) F7: A<y7 (A: +1) = q, a6A 6 (A) + 6 A《(1) F8: +1) = <3， + <37Affi)7(A) + 68Ao8c(A)
F9: Ao9(A: +1) = auAo,"" + a8A 8(A:) + 69A《(A)
F10: Ac;10(A +1) = (^,Afi^(A:) + "9Aw9(t) + 610A《(/t) Fl 3: A(S^3 (A +1) = <2，, , (A:) + a12 Aw12 (" + "SL A雄
考慮到工位關(guān)系的典型性，F(xiàn)4可以代表F5和F12 (均受Fll的耦合影 響)，F(xiàn)1可以代表F2和F3 (均受F4和F11的耦合影響)，F(xiàn)6可以代表F7、 F8、F9和F10(均受鏈式的耦合影響，為了方便起見，將其近似成一個方程)。 這樣就可以根據(jù)Fll、 F4、 Fl、 F6和F13這五個典型工位建立5階離散線性 系統(tǒng)方程。建立標準形式的不確定離散系統(tǒng)
x(A +1) = ( A + AA) + Bu("
其中"(W還受到實際系統(tǒng)的限制
<formula>formula see original document page 8</formula>這里進行了 2個步驟地簡化處理①、將AW表示的位置增量信號由Ar 來近似，r是系統(tǒng)采樣時間；②、F13應受F12耦合影響，這里由F4的狀態(tài) 近似替代。
AA是模型不確定性的上確界，代表了負載波動和速度波動對各工位之間 線速度增量耦合關(guān)系的影響，，由實驗得到
<formula>formula see original document page 8</formula>考慮不確定離散線性系統(tǒng)的一般模式:
x(A +1) = (A + AA) x(" + (B + AB)u("
(1)
式中X("e/ ",U("e/r是系統(tǒng)的狀態(tài)向量和控制向量。A,B是己知常 數(shù)矩陣，AA,AB是范數(shù)有界的不確定矩陣，因此具有以下形式 其中D,E,，E2是常數(shù)矩陣，反映不確定性的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)是滿足FTF《I的不確
定矩陣。
系統(tǒng)中的控制輸入u受到以下約束
定義二次型性能指標:
u,(豐C,, z' = l，2，L ,m
j=|;(x:QXi+u:R^)
其中的Q,R是對稱正定加權(quán)矩陣。 存在正定對稱陣Z，矩陣『和常數(shù)fX)， ">0滿足:
r -w o o z o -f o
，0 0 -oT
<o
i《
x0 Z
>0
似,L w,
(2)
(3)
(4)
《 L W:
，貝"=& =『1-、(0是系統(tǒng)(l)的一個保性能
控制律。
為了除去對初態(tài)x。的依賴，假設(shè)X。是零均值隨機變量，則有￡(1") = /。 式(3)轉(zhuǎn)化為<formula>formula see original document page 10</formula>
(5)
此時的性能指標數(shù)學期望的上界五(/)二五(x[尸x。) 。 使用LMI計算工具可以直接獲得不等式組(2)(3)(4)關(guān)于變量a,s,X,的 可行解。進一步的，最優(yōu)保性能控制律可以通過求解如下優(yōu)化問題獲得
<formula>formula see original document page 10</formula>根據(jù)實際的生產(chǎn)裝置，根據(jù)工位間的轉(zhuǎn)速比和牽伸比，可以確定系統(tǒng);
<formula>formula see original document page 10</formula>根據(jù)工藝要求，和生產(chǎn)裝置歷史運行數(shù)據(jù)，正常運行時負載波動一般在
5%以內(nèi)。裝置正常生產(chǎn)時紡速280m/s，低速運行時60m/s，根據(jù)這兩個基準 速度下各工位的負載變化可以得到
<formula>formula see original document page 10</formula>控制輸入約束C,30附/s，選取性能指標2 = /,/ = 0.1*/，利用LMI(Linear Matrix Inequalities)工具計算min(a)及此時的(Z, 7)賴
得:
<formula>formula see original document page 10</formula>相應的最優(yōu)保性能反饋控制率為:
<formula>formula see original document page 10</formula>
權(quán)利要求
1、建立基于增量建模的大型化工生產(chǎn)裝置電氣自動化系統(tǒng)的方法，其特征在于它包括以下步驟步驟一，以生產(chǎn)裝置各工位的工位線速度增量為系統(tǒng)變量建立每一個工位的差分方程式中的表示控制器給出的第n個工位的線速度增量信號，Δωn表示第n個工位實際的線速度增量，表示工位線速度增量的積分，用于補償可能存在的松弛關(guān)節(jié)的影響，k為指定的基準工位，ωk為基準工位的線速度，即生產(chǎn)裝置的標稱速度；步驟二，將所得差分方程聯(lián)立，令(k)＝[Δωk(k)，Δωp1(k)，L，Δωp+n(k)]T，得到矩陣形式的模型方程x(k+1)＝(A+ΔA)x(k)+Bu(k)，式中的A為下三角陣，代表各工位之間線速度增量的耦合關(guān)系，由工位線速度和工位牽伸比決定，ΔA為下三角陣，是模型不確定性的上確界，代表負載波動和速度波動對各工位之間線速度增量耦合關(guān)系的影響；B為對角陣，是各工位與基準工位之間的線速度比值；步驟三，根據(jù)系統(tǒng)要求確定二次型性能指標并通過控制量受限形式的最優(yōu)保性能控制方法，獲得矩陣不等式的最優(yōu)解的系統(tǒng)反饋控制律。
全文摘要
建立基于增量建模的大型化工生產(chǎn)裝置電氣自動化系統(tǒng)的方法，它涉及一種高速腈綸生產(chǎn)線的控制方法，以解決現(xiàn)有的腈綸生產(chǎn)線控制方法存在的控制魯棒性較差、控制精度較低和系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題。以生產(chǎn)線各工位的速度增量為系統(tǒng)變量建立系統(tǒng)模型；將受相同工位耦合影響的工位合并成一個整體工位；將所得差分方程聯(lián)立得到矩陣形式的模型方程；根據(jù)系統(tǒng)要求確定二次型性能指標，并通過最優(yōu)保性能控制方法，求解矩陣不等式的最優(yōu)解獲得系統(tǒng)反饋控制律；對每個整體工位內(nèi)部使用最優(yōu)保性能控制方法獲得子系統(tǒng)的反饋控制律。本發(fā)明提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了模型參數(shù)一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)的最優(yōu)控制，提高了系統(tǒng)魯棒性，具有較好的穩(wěn)定性。
文檔編號G05B19/418GK101446825SQ20081020970
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者喻寶才, 王慶超, 鵬 蔡 申請人:哈爾濱工業(yè)大學