热工过程多变量Smith预估先进控制方法的应用研究

论文摘要

大多数典型热工过程都具有多个控制量和被控量,并且各控制量和被控量之间具有严重的耦合、大时间滞后及非线性的关系。采用常规系统控制方案,基于PID线性控制算法的多个单反馈控制回路组成的分散控制结构,目前仍在广泛应用。但其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,研究适合于多变量热工过程的Smith预估先进控制方法,以有效地补偿多变量过程的时间滞后,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。本文在综述了热工过程先进控制方法的应用研究现状的基础上,进行了热工过程多变量Smith预估先进控制方法的应用研究。首先,在介绍Smith预估算法原理和纯滞后多变量系统的基础上,研究了多变量纯滞后补偿器的不同设计策略,并总结了多变量Smith预估控制系统的设计步骤。其次,针对典型热工过程之一——钢球磨煤机中间储仓式制粉系统,研究了多变量系统的解耦控制方法。在简要介绍了球磨机制粉系统生产工艺流程基础上,针对其具有强耦合大时滞特性的典型模型,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,可以将球磨机制粉系统3×3过程近似分解为一SISO(单入单出)过程和一TITO(双入双出)过程的组合。第三,针对经过部分前馈解耦的球磨机制粉系统多变量过程,提出了一套可行的Smith预估控制方案。采取两种补偿方法对解耦过程进行Smith预估控制系统的设计,对PID控制器选择合适的整定方法,并对仍有耦合作用的通道2和通道3采取了双自由度PID控制器策略,进行系统仿真研究,从仿真结果看,系统输出较好地跟踪设定值,且有很好的抗干扰效果,能够获得令人满意的控制性能。第四,针对具有多时间延迟特性的TITO过程,提出了一种改进的多变量Smith预估器的设计方法。首先利用基于闭环阶跃响应的模型参数鲁棒分散辨识方法,确定TITO过程的纯滞后对象模型,其次结合控制器参数模糊自校正与自整定技术,自动完成解耦器参数、解耦后等效对象模型参数以及主控制器参数的计算或自校正。并针对另一典型多变量热工过程——蒸馏塔系统进行仿真测试,实验结果表明这种改进的Smith预估控制方法与常规Smith预估控制方法相比可显著改善系统的控制性能和适应能力。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 先进过程控制方法及其特点
• 1.3 热工过程先进控制方法应用研究现状
• 1.3.1 模型预测控制
• 1.3.2 自适应控制
• 1.3.3 模糊控制
• 1.3.4 神经网络控制
• 1.4 多变量Smith预估控制的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 多变量Smith预估的基础知识
• 2.1 概述
• 2.2 Smith预估算法原理
• 2.3 纯滞后MIMO系统简介
• 2.3.1 闭环MIMO系统基本概念和符号
• 2.3.2 闭环MIMO关系
• 2.4 多变量纯滞后补偿器设计
• 2.4.1 单滞后时间情况
• 2.4.2 多滞后时间情况:直接方法
• 2.4.3 多滞后时间情况:改进方法
• 2.4.4 广义多滞后时间情况
• 2.4.5 设计步骤总结
• 2.5 小结
• 第三章 球磨机制粉系统的解耦控制
• 3.1 概述
• 3.2 球磨机制粉系统简介
• 3.2.1 球磨机制粉系统控制的研究现状
• 3.2.2 球磨机制粉系统的生产工艺流程
• 3.2.3 球磨机系统模型介绍
• 3.3 解耦控制
• 3.3.1 解耦控制系统概述
• 3.3.2 MIMO系统解耦设计方法
• 3.3.3 前馈补偿解耦控制
• 3.3.4 部分解耦控制
• 3.4 MIMO系统部分前馈解耦控制方法
• 3.5 仿真研究
• 3.6 小结
• 第四章 球磨机制粉系统多变量Smith预估控制方案设计
• 4.1 概述
• 4.2 多变量Smith预估控制系统结构
• 4.3 PID控制器参数整定策略
• 4.3.1 一阶模型的参数整定
• 4.3.2 二阶模型的参数整定
• 4.3.3 双自由度控制器的设计
• 4.4 仿真研究
• 4.5 小结
• 第五章 TITO系统Smith预估器的改进设计方法
• 5.1 概述
• 5.2 控制系统的结构
• 5.3 基于闭环阶跃响应的模型参数鲁棒分散辨识
• 5.4 PI分散控制器参数模糊自校正机构
• 5.4.1 模糊自校正规则
• 5.4.2 模糊化策略和模糊判决方法
• 5.4.3 模糊自校正机构中关键参数的选定方法
• 5.5 设计实例与仿真研究
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作与贡献
• 6.2 有待进一步研究的工作
• 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表