回转窑煅烧温度预测控制综合方法研究

论文摘要

回转窑是冶金行业中的关键设备,其运行状态直接影响产品质量、能源消耗、生产安全以及成本。回转窑煅烧温度是反映其运行状态的重要参数,对保证产品质量、实现回转窑的安全稳定运行以及降低劳动强度起着决定性的作用。由于回转窑是一个多变量、非线性、时变、大惯性的典型复杂被控对象,传统的控制方法难以达到理想的控制效果,目前许多场合还是根据现场操作人员的工作经验进行手动调节,自动化程度较低,存在生产效率低、能源消耗高、产品质量不稳定等问题,因此研究回转窑煅烧温度的控制方法具有重大意义。本文以天铁集团石灰矿回转窑为背景,在分析回转窑工艺过程特性、研究影响回转窑煅烧温度因素的基础上,得出通过调节煤气流量和二次风流量可以有效地控制回转窑煅烧温度。本文利用现有的天铁集团石灰矿回转窑实际运行数据,运用T-S模糊建模方法得到了回转窑煅烧温度系统的T-S模型。采用了前件部分和后件部分分开辨识的方法,利用模糊C-均值聚类算法和最小二乘法分别辨识前后件的结构和参数。进一步将该模型转化为线性时变状态空间模型运用于后续的控制算法中。针对回转窑的复杂特性,本文采用预测控制综合方法控制回转窑煅烧温度。预测控制综合方法以最优控制作为最重要的理论参照体系,Lyapunov稳定性分析方法作为性能保证,不变集和线性矩阵不等式作为基本工具,成为当前预测控制理论研究的主流。状态反馈预测控制综合方法存在两个问题,一是该方法只能将系统状态镇定到原点,不能跟踪给定的变化目标；二是该方法受限于其可行域的大小,往往不能实现大范围的控制。本文针对这两个问题改进了状态反馈预测控制综合方法。输出跟踪预测控制综合方法通过将根据给定的输出计算得到的对应的稳定状态和输入作为变量,并修改终端约束来实现输出跟踪。调度预测控制综合方法引入调度的思想,离线设计一系列可行域互相重叠的控制器集合。在线时,在控制器的调度作用下,系统状态在相互交叉的不同可行域之间运动,直至达到设定的目标平衡状态,从而实现大范围控制。最后,本文设计了回转窑煅烧温度控制系统,仿真研究表明预测控制综合方法可以对回转窑煅烧温度进行有效地控制。

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 回转窑建模与控制方法的研究历史及现状
• 1.2.1 回转窑建模方法的研究历史及现状
• 1.2.2 回转窑控制方法的研究历史及现状
• 1.3 预测控制的研究历史及现状
• 1.4 本文主要研究的内容
• 第2章 回转窑简介
• 2.1 回转窑的工艺流程及结构
• 2.1.1 回转窑的工艺流程
• 2.1.2 回转窑的结构
• 2.1.3 天铁石灰矿回转窑经济指标和工艺参数
• 2.2 回转窑煅烧温度的控制
• 2.2.1 回转窑的控制目标
• 2.2.2 影响回转窑煅烧温度的因素分析
• 2.2.3 回转窑煅烧温度的控制难点
• 2.3 本章小结
• 第3章 回转窑煅烧温度的T-S模糊建模
• 3.1 T-S模糊模型
• 3.1.1 T-S模糊模型的定义
• 3.1.2 T-S模糊模型的辨识
• 3.2 基于模糊C-均值聚类算法的前件参数与结构辨识
• 3.2.1 模糊C-均值聚类算法
• 3.2.2 模糊C-均值聚类算法辨识前件参数与结构
• 3.3 基于最小二乘法的后件参数辨识
• 3.3.1 最小二乘法
• 3.3.2 最小二乘法辨识后件参数
• 3.4 T-S模糊模型的转化
• 3.5 基于T-S模糊模型的回转窑煅烧温度建模
• 3.6 本章小结
• 第4章 预测控制综合方法研究
• 4.1 线性矩阵不等式
• 4.1.1 线性矩阵不等式的一般表示
• 4.1.2 Schur补引理
• 4.1.3 引入线性矩阵不等式的原因
• 4.2 预测控制综合方法的基本原理
• 4.3 多胞描述系统
• 4.4 状态反馈预测控制综合方法
• 4.4.1 在线算法
• 4.4.2 离线算法
• 4.4.3 仿真验证
• 4.5 输出跟踪预测控制综合方法
• 4.5.1 稳态目标的计算
• 4.5.2 输出跟踪预测控制综合算法
• 4.5.3 仿真验证
• 4.6 调度预测控制综合方法
• 4.6.1 调度预测控制综合算法
• 4.6.2 仿真验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 回转窑煅烧温度控制系统仿真研究
• 5.1 LMI工具箱
• 5.2 回转窑煅烧温度控制系统设计
• 5.3 回转窑煅烧温度控制系统仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢