面向大范圍工況系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與優(yōu)化策略研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的工藝過程日趨復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求也越來越高，傳統(tǒng)的PID單回路控制已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，尤其在大范圍工況條件下系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)從一種操作環(huán)境突變到另一種操作環(huán)境，致使當(dāng)前工作點(diǎn)遠(yuǎn)離常規(guī)控制器的初始設(shè)計(jì)工作點(diǎn)時，控制品質(zhì)會顯著下降。同時越來越多的實(shí)際工業(yè)過程通常是具有非線性、時變性、多變量緊密耦合、大時滯的控制對象，簡單的控制結(jié)構(gòu)和控制算法已經(jīng)受到極大的挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文對大范圍工況過程系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和

2、優(yōu)化策略的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究。 本文的主要工作如下：●綜述了大范圍工況系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)，主要包括串級結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)等等，總結(jié)了傳統(tǒng)PID控制器，模糊控制器的參數(shù)調(diào)整問題，概括了大范圍工況系統(tǒng)的控制方法。 ●首先從頻域角度分析了串級結(jié)構(gòu)抗干擾性優(yōu)于簡單控制回路。其次針對過程控制的大純滯后，有約束，大時間常數(shù)對象，提出了串級廣義預(yù)測控制算法，研究了大范圍工況下系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化問題，仿真結(jié)果表明串級GPC算法的控制性能優(yōu)

3、于傳統(tǒng)串級PID控制。最后開發(fā)了基于DCS層的串級廣義預(yù)測控制軟件包，在山東省某發(fā)電廠的循環(huán)流化床鍋爐汽水系統(tǒng)上得到驗(yàn)證。 ●研究了大范圍工況下分層結(jié)構(gòu)的控制器參數(shù)調(diào)整問題。首先，提出一種兩層結(jié)構(gòu)基于廣義預(yù)測控制性能指標(biāo)的PID控制器，兩層結(jié)構(gòu)包括底層控制回路和上層優(yōu)化回路。底層回路采用工業(yè)過程中常用的PID控制器。上層優(yōu)化回路基于底層控制器參數(shù)的廣義預(yù)測控制性能指標(biāo)()目標(biāo)函數(shù)，利用滾動窗口數(shù)據(jù)在線辨識得到被控對象CARIMA

4、模型，從而直接()化底層PID控制器參數(shù)?，F(xiàn)場人員不需了解上層智能優(yōu)化算法，只需添加優(yōu)化模塊，省去了巨大的硬件工程改造和軟件培訓(xùn)費(fèi)用，具有一定的實(shí)用價值和工程應(yīng)用背景。其次，證明了該控制器具有PID結(jié)構(gòu)但控制性能等價于廣義預(yù)測控制算法，并給出了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分條件，同時根據(jù)krokothniv定理給出了該算法區(qū)間魯棒的充分條件，最后通過數(shù)值仿真和水槽實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本章算法的有效性。 ●提出大范圍工況下一類模糊控制器參數(shù)調(diào)

5、整問題，首先根據(jù)誤差和誤差變化率，選擇三角形隸屬度函數(shù)，構(gòu)造了一類復(fù)合PID型模糊控制器。其次，根據(jù)廣義預(yù)測控制性能指標(biāo)的泰勒級數(shù)的二次展開式，近似處理，直接得到次優(yōu)的模糊控制器比例因子的調(diào)節(jié)規(guī)律，避免了大量矩陣求逆。最后給出了系統(tǒng)Lyapunov函數(shù)意義下穩(wěn)定時模糊控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍。 ●提出大范圍系統(tǒng)工況系統(tǒng)并行結(jié)構(gòu)的廣義預(yù)測全局性能指標(biāo)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法。首先采用動態(tài)優(yōu)化方法，根據(jù)Kalman濾波器在線估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過

6、構(gòu)造子系統(tǒng)的優(yōu)化問題設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器，然后采用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出約束，采用約束廣義預(yù)測全局性能指標(biāo)構(gòu)造Laganrage函數(shù)計(jì)算底層各個回路的優(yōu)化設(shè)定值，仿真結(jié)果表明該算法所需計(jì)算量小，優(yōu)化性能好。 ●研究了一類中央空調(diào)系統(tǒng)的大范圍工況控制及優(yōu)化問題。首先，分析了中央空調(diào)控制系統(tǒng)的主要回路，然后給出各個回路的被控對象模型以及控制目標(biāo)，包括了各個系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系和系統(tǒng)約束以及全局優(yōu)化性能指標(biāo)。最后將本文提出的大范圍工