复杂热工系统多变量先进控制方法的应用研究

论文摘要

典型的复杂热工系统都具有多个控制量和被控量,并且各控制量和被控量之间存在着严重的耦合。常规的系统控制方案结合前馈补偿、串级等控制策略,采用基于PID线性控制算法的多个SISO反馈控制回路组成的分散控制结构,目前仍在广泛应用,但无法保证长期正常投入运行,导致系统运行参数偏离经济指标较大,造成大量能量损失,增加了设备故障率,严重影响系统的经济效益和安全可靠运行。因此,研究适合于复杂热工系统的多变量先进控制方法,以有效地实现其自动控制和优化运行,具有十分重要的理论意义和实用价值。本文在综述了电厂球磨机中储式制粉系统等热工系统先进控制方法与应用研究现状的基础上,进行了复杂热工系统多变量先进控制方法的应用研究。本文第一章为绪论,首先阐述了课题的背景与意义,综述了目前国内外电厂球磨机中储式制粉系统等热工系统先进控制算法的研究现状和发展方向,基于目前复杂热工系统实际控制中存在的问题,提出了本文的主要工作内容。本文第二章针对电厂球磨机中储式制粉系统研究了多变量系统的解耦控制方法。在对球磨机中储式制粉系统生产工艺流程进行简要介绍的基础上,对其进行了耦合性分析,并说明多变量系统回路的配对方法,不仅要参考系统的相对增益矩阵,而且要根据实际过程的工艺和控制要求,才能选择更为合适的输入输出匹配。在选择好回路配对后,根据系统各回路的动态特点,提出了将前馈补偿解耦控制和部分解耦控制方法结合的球磨机中储式制粉系统解耦控制方案,并对其进行了系统设计和仿真验证。由仿真结果可以看出,采用部分前馈补偿解耦,可以较好地将负压控制回路分离出来,使系统3×3被控对象简化为2×2被控对象。本文第三章研究了复杂热工系统多变量PID控制器的分散继电反馈自整定技术。在对已提出的MIMO系统PID控制器参数分散继电反馈自整定方法进行研究的基础上,结合燃煤大型火电机组协调控制对象的特点,提出了具有前馈解耦的协调控制系统的改进设计方法,仿真验证结果表明所提出的新方法,可以使系统获得较好的控制效果。本文第四章将迭代反馈理论和继电反馈自整定方法有机结合起来,提出了多变量分散PID控制器的参数自整定方法——迭代继电反馈自整定方法,这种设计方法与已有的设计方法相比较,对控制对象的先验知识和模型的要求低,物理概念清晰,因此便于在工程上应用。针对简化的电厂球磨机中储式制粉系统对象,用该方法进行控制系统设计和仿真验证,结果表明该方法能够较好地整定控制器参数,使系统获得令人满意的控制效果。本文第五章论述了复杂热工系统多变量DMC控制算法,提出了DMC参数的自整定方法。通过对一个典型的双输入双输出系统的仿真研究,分析了部分参数变化对控制性能的影响。实例仿真部分,将提出的自整定方法应用于简化的球磨机中储式制粉系统对象,从系统仿真结果看,提出的参数自整定算法能有效控制系统的输出,满足工业控制的要求。本文第六章介绍了应用软件研究开发方面的工作。基于PC平台采用VC++设计开发了多变量预测控制应用软件包,包括阶跃响应、控制矩阵、参数输入、系统仿真等模块。该软件可以在PC机的WINDOWS操作系统下运行,而且对硬件要求较低,具有较好的灵活性。应用该软件对多变量系统进行实例仿真,可以减少控制参数的调节时间,提高多变量过程控制的性能。最后对本文所做工作进行总结,并对今后工作中需要进一步探索和研究的问题进行了展望。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 热工系统先进控制方法与应用研究现状
• 1.3 球磨机中储式制粉系统控制的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 球磨机中储式制粉系统的耦合分析和解耦控制
• 2.1 概述
• 2.2 球磨机中储式制粉系统的生产工艺流程
• 2.3 球磨机中储式制粉系统的耦合性分析
• 2.3.1 相对增益矩阵
• 2.3.2 球磨机中储式制粉系统耦合性分析
• 2.4 解耦控制
• 2.4.1 解耦控制系统概述
• 2.4.2 MIMO系统解耦设计分类和方法
• 2.4.3 前馈补偿解耦控制
• 2.4.4 部分解耦控制
• 2.5 MIMO系统部分前馈解耦控制
• 2.6 仿真研究
• 2.7 小结
• 第三章 复杂热工系统多变量PID控制器分散继电反馈自整定
• 3.1 概述
• 3.2 分散继电器反馈控制的基本原理
• 3.3 多变量PID控制器的分散继电反馈自整定
• 3.3.1 过程频域响应估计
• 3.3.2 控制器设计
• 3.3.3 仿真验证
• 3.4 具有前馈解耦的燃煤机组协调控制系统设计
• 3.4.1 燃煤火电机组协调控制对象模型
• 3.4.2 协调控制的常规方案
• 3.4.3 具有前馈解耦的协调控制系统设计
• 3.4.4 仿真验证
• 3.5 小结
• 第四章 球磨机中储式制粉系统控制器的迭代继电反馈自整定
• 4.1 概述
• 4.2 多变量分散PTD控制器参数迭代继电反馈自整定策略
• 4.2.1 期望临界点的自整定算法
• 4.2.2 分散PID控制器参数整定
• 4.3 仿真研究
• 4.4 小结
• 第五章 多变量模型预测控制
• 5.1 概述
• 5.2 多变量DMC算法
• 5.2.1 多变量DMC算法的原理
• 5.2.2 自整定DMC控制结构
• 5.2.3 多变量DMC算法实现
• 5.3 DMC控制器参数的选取
• 5.4 多变量DMC参数的自整定
• 5.5 仿真应用
• 5.5.1 算法仿真验证
• 5.5.2 实例应用
• 5.6 小结
• 第六章 应用软件的设计与开发
• 6.1 概述
• 6.2 软件系统组成
• 6.2.1 数据采集模块
• 6.2.2 对象模型辨识模块
• 6.2.3 对象阶跃响应模块
• 6.2.4 控制矩阵模块
• 6.2.5 控制参数输入模块
• 6.2.6 系统仿真模块
• 6.2.7 实时控制模块
• 6.3 软件的特点和功能
• 6.4 软件应用实例
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作及贡献
• 7.2 需要进一步进行的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所参加的科研工作和发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况