基于端口受控哈密尔顿系统的变压吸附过程的控制策略研究

Gas adsorption separation technology has been developed as an gas separation and purification technology, it presents a great practical value and potential applications on the treatment of waste gas and the development and utilization of new energy. Control of pressure swing adsorption process is a critical step to achieve gas separation and purification. On the basis of researches on the control methods of pressure swing adsorption, a method based on the mechanism of adsorption phenomina is set out, and from the point of view of energy, a control method based on the port-Hamiltonian method is proposed, via the energy injection and energy extraction, it can achieve the minimum of totoal energy of the closed loop Hamilton system around the equilibrium point, as well as the purpose of system stablization. This method can overcome the drawbacks of the traditional control methods relying on model approximation and it is an efficient way to study nonlinear system.

气体吸附分离技术作为一种已经发展成熟的气体分离和提纯技术，在环境废气治理和新能源开发利用方面都有着极大的实用价值和应用潜力。变压吸附系统的控制是实现气体分离和提纯的关键步骤。本项目在研究国内外对变压吸附系统控制方法的基础上，从变压吸附过程的运行机制入手，从系统能量的观点提出基于端口受控哈密尔顿方法的控制系统，通过对系统内部的能量注入和抽取实现系统的控制，实现闭环哈密尔顿系统在系统平衡点的能量最小，达到系统镇定的目的。该方法克服了传统控制方法过分依赖近似模型的带来的弊端，是一种有效的处理非线性系统的控制方法。

变压吸附技术在环境废气治理和新能源开发利用方面都有着非常大的实用价值和应用潜力，其中变压吸附系统的控制环节是关键步骤。本项目对变压吸附系统的数学模型，控制系统设计依托的降价模型，控制算法设计与仿真进行了理论分析和实验研究，并改建完善了变压吸附系统的实验环境。控制算法仿真结果和实验测试表明，尽管变压吸附系统的运行过程并不复杂，但是变压吸附过程涉及到传质模型，吸附平衡模型，吸附动力模型以及边界条件等，因而相应的数学模型很复杂，难以直接用于控制系统的设计。通过采用降阶模型，可以大大降低系统模型的复杂程度和控制系统的设计和仿真难度。在降阶模型的基础上，从控制算法实现的难易程度、算法有效性、控制性能和工程实现等方面对比了分数阶控制算法、端口受控哈密尔顿系统算法、鲁棒控制和经典PID控制等，经典PID控制和分数阶PID控制算法由于控制器结构简单，算法容易实现，而端口受控系统算法和其它高级算法，由于控制结构的复杂性提高了，导致控制算法的实现过程很复杂，但是提高了控制效果。对于变压吸附系统这样的非线性系统，算法结构复杂的高级控制算法尽管提供了较好的控制性能，但从工程实现的角度，传统的PID控制算法在工业界不无道理，能够兼顾控制算法性能和简单的结构，融入分数阶系统的思想应该是一个较好的选择。