论文摘要
本文以火电厂复杂热工系统为研究对象,围绕复杂工业过程的控制与优化研究的热点问题,进行了下面两个部分的研究:一是预测PID控制系统的鲁棒稳定性研究,内容涉及到针对由一阶加纯滞后对象、二阶加纯滞后对象及非最小相位系统和预测PID控制器组成的系统的鲁棒稳定性分析,给出了系统保持稳定的最大过程参数区间。并验证了在大滞后情况下,系统均能保持稳定,为DCS系统的设计提供一定的指导作用;二是监控层优化设定问题的讨论,内容涉及到两层控制器的设计和设定点的优化研究。工业自动化已进入计算机时代,进入了所谓的计算机集成过程系统(Computer Integrated Processes System,简称CIPS)的时代,过程系统自动化的范围已经有了很大扩展,即从设备的基本控制、先进控制扩展到监督控制、生产计划与调度、信息管理与经营决策。无论从学科的发展,还是从国民经济的迫切需要来看,自动化当前的任务已经从单机自动化孤岛的模式转向多层次、多模式、多视图的综合集成自动化模式,这是一种全新的哲理与概念。本论文在广泛查阅各类文献的基础上,分别从上述两方面开展工作,符合当前控制领域的研究方向,是该领域当前研究的热点与难点。论文的主要内容与创新点包括:1、实际的热工过程总是存在于不确定的环境之中,总会受到预先未知的各种不确定性的影响,模型和被控对象之间也不可避免地存在着模型失配的情况。基于模型设计的最优控制应用于实际对象可能导致系统的性能变差,因此有必要对控制系统进行鲁棒稳定性的研究。在参数不确定的情况下,到目前为止,还没有一种较好的方法来分析这种由被控对象和预测PID控制器组成的系统的鲁棒稳定性。文中运用了双线性变换,将离散的特征多项式转化成连续的特征多项式。对于任意给定的参数区间,利用Kharitonov定理和边缘理论分析由被控对象和预测PID控制器组成的系统在对象参数不确定情况下输入输出的鲁棒稳定性。针对一阶加纯滞后对象给出了系统保持稳定的最大过程参数区间。2、由于一些复杂的热工系统无法用简单的一阶加纯滞后对象进行简化代替,所以本文针对二阶加纯滞后对象利用Kharitonov定理和边缘理论分析由二阶加纯滞后对象和预测PID控制器组成的系统在对象参数不确定情况下输入输出的鲁棒稳定性。针对二阶加纯滞后对象给出了系统保持稳定的最大过程参数区间。3、由于非最小相位系统在工业界具有一定的代表性,如锅炉的给水控制,因此研究非最小相位系统的鲁棒稳定性具有重要的应用价值。这里主要分析这种由非最小相位系统和预测PID控制器组成的系统的鲁棒稳定性。这种连续特征多项式的Hurwitz稳定性可由Kharitonov定理和边缘理论给出。结果表明,当过程参数偏离标称值的情况下,系统仍能保持稳定,证明了该系统具有良好的鲁棒稳定性。4、对于热工过程而言,在不同的生产条件下,充分发挥设备的最大潜力,最低限度的消耗能源和原材料,在保证质量的前提下达到最高产量,是生产过程最优化的内容。然而,实现生产过程最优化涉及的是一个装置或一个车间,因而需要大量的信息,建立较为复杂的模型,并进行大量的运算和求解,这些均需要由监控层来实现。当工况处在稳定状态时,设计两层控制器,控制层运用预测PID控制代替常规的PID控制,监控层采用广义预测控制,因为广义预测控制有展示系统未来动态行为的功能,利用预测模型为预测控制进行优化提供先验知识,从而决定采用何种输入,使对象输出符合预期的目标。实验结果表明,与设定点固定的控制方法相比,这种两层控制器可以消除不确定性影响,控制性能和经济目标均有了较大改善。应用于锅炉压力控制系统,得到了较好的控制效果。5、当工况受到较大扰动时,例如甩负荷。锅炉的变量如主蒸汽压力和汽包水位都会产生较大的波动。简单的底层控制器消除这种波动的效果不太理想。文中提出了两层结构控制方法来改善系统的性能。底层控制采用预测PID控制方法,监控层采用模糊控制,由于模糊控制的鲁棒性好,在偏离工作点较远的区域可以明显改善系统的动态性能。因此,根据当前的工况,蒸汽压力和水位的设定点由基于模糊理论的监控层给出。针对一个具体的锅炉系统,改进后的方法其控制性能和经济目标均有了很大的改善。6、当优化问题比较复杂时,用一般的解析方法得到的可能仅仅是局部最优解,无法得到全局最优解。这时采用两层控制器,控制层采用预测PID控制方法,这就使得控制层的性能有了很大的改善。监控层应用的是遗传算法理论,遗传算法具有鲁棒性能好,计算简单及功能强的特点,可以有效地解决约束的问题。本文没有谈到具体的实现,只是方法的研究,将这种方法应用到锅炉压力控制系统中,和设定点固定时的结果进行比较,可以得出结论,本文提出的优化设定方法在经济目标和能源损耗方面要好于其它的普通控制方法。