MPCE实验装置列管式换热器系统建模与控制算法研究

论文摘要

换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备,被广泛应用于流程工业生产企业。在目前尚不具备在实验室中复现真实工业过程的条件下,研究利用具有典型对象模型的实验装置进行模拟仿真无疑是一条探索将控制理论和算法转化为应用技术的捷径。以多功能过程控制实验装置(MPCE)为实验平台,以列管式换热器系统为被控对象,对其进行建模、控制算法以及换热过程模拟仿真的研究,对于改善换热器系统的控制效果,提高换热效率具有重要的意义。利用机理建模与系统辨识的方法建立了换热器的数学模型,确定了换热器热流出口温度与冷流入口流量之间的关系。通过阶跃响应仿真实验和采用PID控制实验验证了模型的准确性。并利用较准确的换热器模型,在MPCE实验装置上实现了Smith预估控制实验和前馈—反馈控制实验。针对换热器大时滞、参数时变的特性,研究了全参数自适应Smith预估控制算法(APASPCA).在常规Smith预估器的基础上,基于模型参考自适应原理,利用Lyapunov函数法设计了预估器增益和时间常数的自适应律,并利用信号相关性分析技术中的平均幅度差函数实现了被控对象纯滞后时间的最优估计,使得预估器模型参数能跟踪被控对象参数的变化,从而保证了Smith预估器的控制效果。仿真结果表明,APASPCA算法对于大时滞参数时变的被控对象具有很好的控制效果,是一种性能很好的控制方法,具有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 换热器建模研究现状
• 1.2.2 时滞系统控制算法研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容和章节安排
• 第二章 MPCE实验装置列管式换热器系统建模
• 2.1 MPCE实验装置简介
• 2.2 列管式换热器系统介绍
• 2.2.1 列管式换热器系统流程
• 2.2.2 列管式换热器静态特性
• 2.3 列管式换热器动态建模
• 2.3.1 建模方法
• 2.3.2 机理建模
• 2.3.3 系统辨识
• 2.3.4 两种模型的阶跃响应仿真对比
• 2.4 PID控制实验
• 2.4.1 PID参数整定
• 2.4.2 PID控制实验
• 2.5 Smith预估控制实验
• 2.6 前馈-反馈控制实验
• 2.6.1 前馈控制原理
• 2.6.2 前馈-反馈控制实验
• 2.7 本章小结
• 第三章 全参数自适应Smith预估控制算法
• 3.1 Smith预估控制算法
• 3.2 Smith预估器对模型的依赖性
• p不匹配'>3.2.1 系数K_p不匹配
• p不匹配'>3.2.2 时间常数T_p不匹配
• p不匹配'>3.2.3 延迟时间τ_p不匹配
• 3.3 全参数自适应Smith预估控制算法（APASPCA）
• 3.3.1 增益和时间常数的修正
• 3.3.2 延迟时间的辨识
• 3.4 全参数自适应Smith预估控制算法仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果