試析復(fù)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(xué)博士學(xué)位論文復(fù)雜熱工系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化研究姓名：張云申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：賈磊;劉紅波20080215山東大學(xué)博士學(xué)位論文摘要本文以火電廠復(fù)雜熱工系統(tǒng)為研究對象，圍繞復(fù)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(yù)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(yù)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(shè)計提供一定的指導(dǎo)作用；二是監(jiān)控層優(yōu)化設(shè)定問題的討論，內(nèi)容涉及到兩層控制器的設(shè)計和設(shè)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(shè)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(xué)科的發(fā)展，還是從國民經(jīng)濟的迫切需要來看，自動化當(dāng)前的任務(wù)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(chǔ)上，分別從上述兩方面開展工作，符合當(dāng)前控制領(lǐng)域的研究方向，是該領(lǐng)域當(dāng)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(yù)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。基于模型設(shè)計的最優(yōu)控制應(yīng)用于實際對象可能導(dǎo)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(yù)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(yù)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(fù)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(xué)博士學(xué)位論文階加純滯后對象和預(yù)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(yīng)用價值。這里主要分析這種由非最小相位系統(tǒng)和預(yù)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(dāng)過程參數(shù)偏離標(biāo)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(shè)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(fù)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(dāng)工況處在穩(wěn)定狀態(tài)時，設(shè)計兩層控制器，控制層運用預(yù)測PID控制代替常規(guī)的PID控制，監(jiān)控層采用廣義預(yù)測控制，因為廣義預(yù)測控制有展示系統(tǒng)未來動態(tài)行為的功能，利用預(yù)測模型為預(yù)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(yù)期的目標(biāo)。實驗結(jié)果表明，與設(shè)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(biāo)均有了較大改善。應(yīng)用于鍋爐壓力控制系統(tǒng)，得到了較好的控制效果。5、當(dāng)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(yù)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(dāng)前的工況，蒸汽壓力和水位的設(shè)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(biāo)均有了很大的改善。6、當(dāng)優(yōu)化問題比較復(fù)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(yù)測PID控制方山東大學(xué)博士學(xué)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(yīng)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(yīng)用到鍋爐