基于广义预测控制的船用锅炉汽包水位控制研究

论文摘要

目前船用锅炉的控制系统大多采用PID控制器组成的反馈控制系统。由于船用锅炉系统是一个复杂的时变动态过程,有多个控制回路,具有很强的非线性、藕合、滞后、强干扰等特性,传统的PID控制难以达到理想的控制效果。为进一步改善船用锅炉控制质量,确保其安全经济运行,本文采用广义预测控制理论实现了对船用饱和蒸汽辅锅炉汽包水位系统的控制。广义预测控制理论是在实际应用中不断发展完善的一种先进过程控制理论,已经在复杂工业过程控制中展现出诱人的应用前景。目前,国内已经有在大型电站锅炉系统中成功应用的实例。本文首先根据船用饱利蒸汽辅锅炉的工作原理,通过机理建模的方法,得到锅炉汽包水位调节对象的模型,经一定的假设和简化,得到汽包水位在不同扰动条件下的数学模型,结合模型的特性曲线,对其动态特性进行分析。然后论述了广义预测控制理论,给出算法流程,分析了算法的特点,给出控制器参数选取原则。采用广义预测控制器实现了对船用锅炉水位控制系统的控制,进一步对控制器参数进行仿真分析。通过仿真分析并与常规PID控制相比较,证实广义预测控制器具有较好的鲁棒性和适应性。针对广义预测控制算法中多次矩阵求逆而导致的计算量大、在线计算时间长、运算过程中可能出现病态矩阵等问题,本文在广义预测控制算法基础上,在船用锅炉汽包水位控制中引入阶梯式控制策略,形成阶梯式广义预测算法。论述了阶梯式广义预测控制理论,给出算法流程,分析了算法的主要特点,给出控制器主要参数确定原则,研究了阶梯式广义预测控制器的鲁棒性、适应性及控制器主要参数变化对其性能的影响。仿真结果表明,本文所采用的阶梯式广义预测控制器较好地实现对船用锅炉汽包水位系统的控制,克服了广义预测控制计算量大、病态矩阵等弊端,具有计算量小,易于在线控制、更适于工程应用等特点。本文尝试性地在船用锅炉汽包水位控制系统中采用阶梯式广义预测控制方法,藉此来提高船用锅炉的控制质量,具有较高的学术研究价值。而船用锅炉控制质量的提高,对锅炉生产的安全性、经济性都具有非常重要的意义。阶梯式广义预测控制所具有的适于工程应用的特点,使得本文的研究具有较大的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 船用锅炉及其控制系统
• 1.3 预测控制原理
• 1.3.1 预测控制组成
• 1.3.2 预测控制特点
• 1.4 预测控制的发展及应用
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 船用锅炉建模及动态特性分析
• 2.1 概述
• 2.2 给水控制系统
• 2.2.1 锅炉汽包水位动态特性
• 2.2.2 锅炉汽包水位控制方法
• 2.3 控制对象
• 2.3.1 控制对象数学模型
• 2.3.2 参数对动态特性的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 PID控制与广义预测控制
• 3.1 PID控制
• 3.1.1 PID控制原理
• 3.1.2 数字PID控制算法
• 3.1.3 PID控制分析
• 3.1.4 PID控制器设计
• 3.2 预测控制
• 3.3 广义预测控制
• 3.3.1 预测模型
• 3.3.2 滚动优化
• 3.3.3 在线辨识和校正
• 3.3.4 控制算法流程
• 3.4 广义预测控制参数选择
• 3.5 广义预测控制分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 阶梯式广义预测控制
• 4.1 广义预测控制简化算法
• 4.2 阶梯式广义预测控制
• 4.2.1 阶梯式广义预测控制原理
• 4.2.2 丢番图方程递推求解
• 4.2.3 在线辨识与校正
• 4.2.4 控制算法流程
• 4.3 阶梯式广义预测控制参数选择
• 4.4 阶梯式广义预测控制分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统仿真
• 5.1 广义预测控制器
• 5.1.1 控制器建立
• 5.1.2 控制器鲁棒性研究
• 5.1.3 控制器参数研究
• 5.2 阶梯式广义预测控制器
• 5.2.1 控制器建立
• 5.2.2 控制器鲁棒性研究
• 5.2.3 控制器参数研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢