基于非线性多模型预测方法的集气管压力控制研究

论文摘要

焦炭是冶金工业炼铁的主要原料,炼焦生产过程中同时伴随产生大量的副产品荒煤气。集气过程回收利用副产煤气,不仅节约能源,而且降低环境污染,是钢铁生产的重要环节。集气管压力稳定与否,影响到煤气质量、设备寿命以及生产环境。研究多焦炉集气过程控制对钢铁工业生产有着重要的意义。多焦炉集气过程是一个高度复杂的工业过程,具有多变量强耦合、不对称、非线性、时变等控制难点,用常规控制方法难以达到有效控制。本文在综合考虑焦炉集气管压力系统的物理、工艺特点的基础上,主要研究了集气管压力的机理建模方法及非线性多模型预测控制算法在其控制上的应用。首先,针对集气管系统扰动变化剧烈、非线性等特点,在分析焦炉集气管压力系统物理特性及工艺特点后,建立集气管压力的机理模型,通过现场调研将工况分为三个典型工况,再将系统在三个不同工况的稳定工作点把得到的非线性模型线性化,构成多个模型,用此逼近集气管压力的非线性过程。其次,在已经展开的不同工况稳定工作点模型的基础上,针对多个模型采用基于状态空间模型的广义预测控制方法对进行广义预测控制器的设计,并应用重构步限矩阵的方法作为切换策略,实现了多模型之间的切换。最后,利用MATLAB软件,建立了焦炉集气管压力系统及其控制系统的仿真模型,对所研究的多模型预测控制进行仿真,并与单模型预测控制进行对比分析,分析结果表明多模型预测控制较单模型预测控制平稳且波动较小；在加入阶跃扰动后的对比曲线表明了多模型预测控制较单模型预测控制有抗扰性,系统在短时间内可调整回目标压力值；在系统受到未知随机干扰的情况下,多模型预测控制方法使集气管压力输出值在目标压力值附近波动且较单模型预测控制方法偏差较小。综上仿真结果表明,本文采用的方法可使处不同工况的集气管压力较单模型预测方法得到良好的控制,并具有一定抗扰性,验证了此方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 焦炉集气管压力系统建模现状
• 1.2.2 焦炉集气管压力系统控制方案研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 焦炉集气工艺与特性分析
• 2.1 炼焦工艺介绍
• 2.2 焦炉集气管对象特性分析
• 2.2.1 焦炉集气管的基本组成
• 2.2.2 焦炉集气管压力影响因素分析
• 2.2.3 焦炉集气管压力控制难点
• 2.3 本章小结
• 第3章 焦炉集气管压力系统建模
• 3.1 系统建模背景及建模方法
• 3.2 焦炉集气管压力系统建模
• 3.3 本章小结
• 第4章 多模型预测控制方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 广义预测控制基础
• 4.2.1 广义预测控制的发展及研究现状
• 4.2.2 单入单出广义预测控制原理
• 4.2.3 多输入多输出系统广义预测控制的基本算法
• 4.2.4 控制律的求解
• 4.3 多模型控制基础
• 4.3.1 多模型研究现状
• 4.3.2 多模型控制原理
• 4.3.3 多模型集的建立
• 4.3.4 多模型控制的切换和加权策略
• 4.4 集气管压力系统的多模型预测控制方案
• 4.4.1 系统结构
• 4.4.2 基于状态空间的广义预测控制算法
• 4.4.3 模型切换策略
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真研究
• 5.1 仿真目的
• 5.2 软件介绍
• 5.3 焦炉集气管压力系统仿真
• 5.3.1 焦炉集气管压力系统不同工况选取
• 5.3.2 焦炉集气管压力系统参数选取
• 5.3.3 仿真验证
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢