基于内模原理的控制方法拓展及仿真研究

论文摘要

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。在工业生产中普遍存在时滞和耦合,传统的PID控制已经难以适应现代的控制要求,所以先进控制和智能控制得到越来越多的关注。内模控制（IMC）自1982年问世以来,以其简单的结构,良好的控制效果在工业过程控制中获得了成功的应用,成为一种非常实用的先进控制方法。而且内模控制已推广到多变量系统在线控制的研究,以实现耦合多变量系统的闭环控制,提高经济效益、降低能耗、实现质量卡边。首先研究利用传统内模控制的理论为基础,主要分析研究在控制系统中出现系统噪声和量测噪声的解决办法,并且把Kalman滤波器和内模控制相结合,充分发挥各自的优点,设计了新型的控制系统,并进行了仿真研究。研究了在内模控制的基础上,如何实现系统的最优控制,从而引入了二次型最优控制（LQG）。本文从性能指标出发,结合LQG最优控制的设计原则进行最优控制器的设计,从而结合内模控制方法进行控制,使得控制系统达到最优的控制效果。仿真结果表明此方法能够实现良好的控制性能和控制精度。针对内模控制模型失配程度严重时,带有固定参数的滤波器不会使系统闭环性能达到最优。为了在不同状态下设计出不同的控制器,本文在内模控制的基础上,运用模糊控制的基本原理,找出一系列合适的模糊规则调节内模控制中滤波器的时间常数并进行仿真对比,验证了控制方法的有效性。对于多变量多时滞系统研究了基于模型降阶的多变量解耦补偿内模控制方法。通过NLJ算法对被控对象进行模型降阶,然后再在内模原理的基础上进行多变量系统的设计。仿真结果表明经过模型降阶后设计的内模控制系统能够实现很好的控制效果,且运算量要减小很多。最后结合实际的工业生产,将IMC-PID内模控制方法运用在茂名石化100万吨重整装置进行生产参数的优化,收到了良好的经济效益和社会效益,既有良好的应用前景和推广应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景和意义
• 1.2 内模控制的研究状况
• 1.2.1 内模控制的历史和发展
• 1.2.2 内模控制与其他控制方法的结合
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 传统内模控制基本原理和性质
• 2.1 引言
• 2.2 内模控制的基本结构及原理
• 2.3 内模控制的性质
• 2.3.1 内模控制三个基本性质
• 2.4 IMC控制器的典型设计方法
• 2.4.1 IMC控制器典型设计方法
• 2.5 内模控制系统性能指标性分析
• 2.5.1 IMC稳态性能分析
• 2.5.2 IMC系统鲁棒性能分析
• 2.6 小结
• 第三章 卡尔曼滤波器在内模控制中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 卡尔曼滤波理论基础
• 3.2.1 卡尔曼滤波基本原理
• 3.3 卡尔曼滤波内模控制
• 3.3.1 控制结构
• 3.3.2 控制器设计及滤波器参数的选取
• 3.4 仿真实验
• 3.4.1 SISO系统仿真实验
• 3.4.2 MIMO系统仿真实验
• 3.5 结论
• 第四章 LQG-内模最优控制
• 4.1 引言
• 4.2 线性二次型Guass最优控制的基本理论
• 4.2.1 最优控制理论
• 4.2.2 最优控制的性能指标
• 4.3 内模-LQG最优控制器设计
• 4.3.1 结构框架
• 4.3.2 LQG控制器的设计
• 4.3.3 校正调节器设计
• 4.4 仿真实验
• 4.5 小结
• 第五章 内模控制滤波器时间常数模糊自整定
• 5.1 引言
• 5.2 滤波器时间常数整定方案
• 5.2.1 模糊控制参数整定方案
• 5.3 基于模糊规则的滤波参数优化
• 5.3.1 SISO系统
• 5.3.2 MIMO系统
• 5.3.3 模型失配时鲁棒性研究
• 5.4 小结
• 第六章 NLJ算法在多变量内模-PID控制中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 NLJ模型降阶在多变量解耦内模控制中的应用
• 6.2.1 主通道内模控制器设计步骤
• 6.2.2 解耦补偿器的设计实现
• 6.2.3 基于NLJ算法的模型降阶研究
• 6.2.4 多变量内模-PID的设计实现
• 6.3 仿真实验
• 6.3.1 NLJ模型降阶在内模控制中的应用仿真
• 6.4 小结
• 第七章 IMC-PID在工业中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 催化重整工艺介绍
• 7.3 课题研究目标及内容
• 7.4 IMC-PID在茂名石化100万吨连续重整装置中的应用
• 7.4.1 项目实施以前装置存在的问题
• 7.4.2 实施步骤
• 7.4.3 项目实施前后主要回路效果对比
• 7.5 效益与结论
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究总结和体会
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书