試析復雜熱工系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化研究

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1、山東大學博士學位論文復雜熱工系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化研究姓名：張云申請學位級別：博士專業(yè)：控制理論與控制工程指導教師：賈磊;劉紅波20080215山東大學博士學位論文摘要本文以火電廠復雜熱工系統(tǒng)為研究對象，圍繞復雜工業(yè)過程的控制與優(yōu)化研究的熱點問題，進行了下面兩個部分的研究：一是預測PID控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性研究，內(nèi)容涉及到針對由一階加純滯后對象、二階加純滯后對象及非最小相位系統(tǒng)和預測PID控制器組成的系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性分析，給出了系統(tǒng)保持穩(wěn)定的最大過程參數(shù)區(qū)間。并驗證了在大滯后情況下，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定，為DCS系統(tǒng)

2、的設計提供一定的指導作用；二是監(jiān)控層優(yōu)化設定問題的討論，內(nèi)容涉及到兩層控制器的設計和設定點的優(yōu)化研究。工業(yè)自動化己進入計算機時代，進入了所謂的計算機集成過程系統(tǒng)(ComputerIntegratedProcessesSystem，簡稱CIPS)的時代，過程系統(tǒng)自動化的范圍已經(jīng)有了很大擴展，即從設備的基本控制、先進控制擴展到監(jiān)督控制、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、信息管理與經(jīng)營決策。無論從學科的發(fā)展，還是從國民經(jīng)濟的迫切需要來看，自動化當前的任務已經(jīng)從單機自動化孤島的模式轉(zhuǎn)向多層次、多模式、多視圖的綜合集成自動化模式，這是一

3、種全新的哲理與概念。本論文在廣泛查閱各類文獻的基礎上，分別從上述兩方面開展工作，符合當前控制領域的研究方向，是該領域當前研究的熱點與難點。論文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點包括：1、實際的熱工過程總是存在于不確定的環(huán)境之中，總會受到預先未知的各種不確定性的影響，模型和被控對象之間也不可避免地存在著模型失配的情況?；谀Ｐ驮O計的最優(yōu)控制應用于實際對象可能導致系統(tǒng)的性能變差，因此有必要對控制系統(tǒng)進行魯棒穩(wěn)定性的研究。在參數(shù)不確定的情況下，到目前為止，還沒有一種較好的方法來分析這種由被控對象和預測PID控制器組成的系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)

4、定性。文中運用了雙線性變換，將離散的特征多項式轉(zhuǎn)化成連續(xù)的特征多項式。對于任意給定的參數(shù)區(qū)間，利用Kharitonov定理和邊緣理論分析由被控對象和預測PID控制器組成的系統(tǒng)在對象參數(shù)不確定情況下輸入輸出的魯棒穩(wěn)定性。針對一階加純滯后對象給出了系統(tǒng)保持穩(wěn)定的最大過程參數(shù)區(qū)間。2、由于一些復雜的熱工系統(tǒng)無法用簡單的一階加純滯后對象進行簡化代替，所以本文針對二階加純滯后對象利用Kharitonov定理和邊緣理論分析由二山東大學博士學位論文階加純滯后對象和預測PID控制器組成的系統(tǒng)在對象參數(shù)不確定情況下輸入輸出的魯

5、棒穩(wěn)定性。針對二階加純滯后對象給出了系統(tǒng)保持穩(wěn)定的最大過程參數(shù)區(qū)間。3、由于非最小相位系統(tǒng)在工業(yè)界具有一定的代表性，如鍋爐的給水控制，因此研究非最小相位系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性具有重要的應用價值。這里主要分析這種由非最小相位系統(tǒng)和預測PID控制器組成的系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。這種連續(xù)特征多項式的Hurwitz穩(wěn)定性可由Kharitonov定理和邊緣理論給出。結(jié)果表明，當過程參數(shù)偏離標稱值的情況下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，證明了該系統(tǒng)具有良好的魯棒穩(wěn)定性。4、對于熱工過程而言，在不同的生產(chǎn)條件下，充分發(fā)揮設備的最大潛力，最低限度的

6、消耗能源和原材料，在保證質(zhì)量的前提下達到最高產(chǎn)量，是生產(chǎn)過程最優(yōu)化的內(nèi)容。然而，實現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)化涉及的是一個裝置或一個車間，因而需要大量的信息，建立較為復雜的模型，并進行大量的運算和求解，這些均需要由監(jiān)控層來實現(xiàn)。當工況處在穩(wěn)定狀態(tài)時，設計兩層控制器，控制層運用預測PID控制代替常規(guī)的PID控制，監(jiān)控層采用廣義預測控制，因為廣義預測控制有展示系統(tǒng)未來動態(tài)行為的功能，利用預測模型為預測控制進行優(yōu)化提供先驗知識，從而決定采用何種輸入，使對象輸出符合預期的目標。實驗結(jié)果表明，與設定點固定的控制方法相比，這種兩層控

7、制器可以消除不確定性影響，控制性能和經(jīng)濟目標均有了較大改善。應用于鍋爐壓力控制系統(tǒng)，得到了較好的控制效果。5、當工況受到較大擾動時，例如甩負荷。鍋爐的變量如主蒸汽壓力和汽包水位都會產(chǎn)生較大的波動。簡單的底層控制器消除這種波動的效果不太理想。文中提出了兩層結(jié)構(gòu)控制方法來改善系統(tǒng)的性能。底層控制采用預測PID控制方法，監(jiān)控層采用模糊控制，由于模糊控制的魯棒性好，在偏離工作點較遠的區(qū)域可以明顯改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，根據(jù)當前的工況，蒸汽壓力和水位的設定點由基于模糊理論的監(jiān)控層給出。針對一個具體的鍋爐系統(tǒng)，改進后的

8、方法其控制性能和經(jīng)濟目標均有了很大的改善。6、當優(yōu)化問題比較復雜時，用一般的解析方法得到的可能僅僅是局部最優(yōu)解，無法得到全局最優(yōu)解。這時采用兩層控制器，控制層采用預測PID控制方山東大學博士學位論文法，這就使得控制層的性能有了很大的改善。監(jiān)控層應用的是遺傳算法理論，．遺傳算法具有魯棒性能好，計算籬單及功能強的特點，可以有效地解決約束的問題。本文沒有談到具體的實現(xiàn)，只是方法的研究，將這種方法應用到鍋爐