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模型预测控制工程软件关键技术及应用研究

作　者: 冯少辉
导　师: 钱积新
学　校: 浙江大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 模型预测控制 动态控制 稳态优化 目标规划 浆料浓度 溶剂脱水塔 鲁棒 PID控制器
分类号: TP399
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


本文面向工程应用，对模型预测控制工程软件的关键技术、算法以及它们在生产过程中的应用进行了深入研究。从模型预测控制工程软件的实现和实际需要出发研究了模型预测控制算法的模型预测、稳态优化技术、简化稳态优化计算的方法等等。针对两个实际工业过程通过特性分析给出了基于模型预测控制的控制方案并进行了应用和仿真研究。最后研究了基于MiniMax原理的PID控制器鲁棒参数整定。 本文的主要成果及创新包括： 1．介绍了自主开发的模型预测控制工程软件—FrontAPC的体系结构以及具有的特点。并在多变量模型预测控制基本算法描述的基础上给出了这些功能的实现形式。 2．在状态空间框架内，利用参数模型和非参数模型的结合，通过对模型预测和反馈校正的改进，作者给出了可以处理非稳定对象的模型预测控制改进算法。并对过程工业中经常遇到的大时间常数稳定系统和积分非稳定系统进行了仿真研究，对于大时间常数系统改进算法可以用更小的模型时域实现有效控制。对于积分对象改进算法也可以取得很好的控制品质。 3．作者系统地给出了可以满足多变量模型预测控制系统的多种控制要求：初始可行解判断、软约束调整、经济优化实现、克服多解等的基于二次规划的稳态优化技术。并尝试利用目标规划原理把多目标的稳态优化用一个单一的优化命题描述从而简化计算。 4．针对PTA生产中的浆料浓度控制系统，提出了非线性补偿+模型预测控制的控制策略，并且针对过阻尼系统使用单值模型预测控制进行控制，在控制品质变化不大的情况下单值模型预测控制算法计算速度更快、更容易实现、便于在DCS实现。该系统已投入现场运行5个月，取得显著的经济效益。 5．在进行溶剂脱水塔先进控制与优化研究时，根据溶剂脱水塔塔釜组分一定而且为两元精馏的特点给出了判断当前工作点是否最优的11 摘 要 方法，最后对溶剂脱水塔先进控制进行了分析和仿真。目前先进控 制系统投运工作正在进行之中。 6．PID基础控制回路控制品质的好坏会影响模型预测控制实施品质， 作者利用SQP算法对PID控制器进行了MiniMax意义下的鲁棒参 数整定研究。通过仿真可以发现利用合适的性能指标EISE，可以使 不确定范围内所有模型闭环响应的最差性能指标达到最好。仿真研 究表明这种方法十分有意义。

全文目录


中文摘要  5-7
英文摘要  7-9
目录  9-12
第一章 绪论  12-32
  1．1 引言  12-13
  1．2 控制技术的发展  13-15
  1．3 模型预测控制算法的定义及特征  15-16
  1．4 实施模型预测控制的效益  16-18
  1．5 模型预测控制在递阶控制结构中的位置  18-20
  1．6 模型预测控制算法的发展历程  20-23
  1．7 模型预测控制技术的新发展  23-30
    1．7．1 两层优化的模型预测控制算法  23-24
    1．7．2 稳态优化技术的发展  24-25
    1．7．3 动态控制技术的发展  25-30
  1．8 本文的研究内容与主要创新点  30-32
第二章 模型预测控制工程软件的总体结构  32-44
  2．1 引言  32
  2．2 多变量模型预测控制基本算法  32-37
    2．2．1 基于阶跃响应的多变量模型预测  32-34
    2．2．2 多变量预测控制算法的基本控制律  34-37
  2．3 模型预测控制工程软件的基本结构与功能  37-43
    2．3．1 模型预测控制工程软件的功能  37-38
    2．3．2 软件的体系结构  38-39
    2．3．3 模型预测的特点  39-40
    2．3．4 稳态优化的特点  40
    2．3．5 动态控制的特点  40-43
  2．4 本章小结  43-44
第三章 模型预测控制改进算法  44-60
  3．1 引言  44
  3．2 动态矩阵控制分析  44-49
    3．2．1 状态观测器  45-46
    3．2．2 状态反馈控制律  46-47
    3．2．3 DMC算法分析  47-49
  3．3 扩展动态矩阵控制算法  49-54
    3．3．1 状态观测器  49-52
    3．3．2 状态反馈控制律  52-53
    3．3．3 EDMC算法实现  53-54
  3．4 仿真结果  54-56
  3．5 反馈校正研究  56-58
  3．6 本章小结  58-60
第四章 模型预测控制中的稳态优化计算方法  60-70
  4．1 稳态优化计算方法的发展  60-62
  4．2 硬约束处理  62-63
  4．3 软约束调整  63-65
  4．4 经济优化  65-67
  4．5 克服多解  67
  4．6 实例研究  67-68
  4．7 本章小结  68-70
第五章 基于目标规划的稳态优化技术  70-76
  5．1 引言  70
  5．2 目标规划原理  70-71
  5．3 基于目标规划的稳态优化技术  71-73
  5．4 仿真研究  73-74
  5．5 本章小结  74-76
第六章 PTA生产中的浆料浓度先进控制  76-91
  6．1 引言  76
  6．2 工艺流程和控制现状  76-78
  6．3 浆料配制系统分析  78-79
  6．4 TA浆料浓度先进控制方案  79-80
  6．5 单值模型预测控制算法  80-84
    6．5．1 单值模型预测控制算法  81-82
    6．5．2 仿真研究  82-84
  6．6 流量调节阀的滞环前馈补偿  84-87
  6．7 工程实施和控制品质  87-89
  6．8 本章小结  89-91
第七章 溶剂脱水塔的先进控制与优化  91-103
  7．1 引言  91
  7．2 溶剂脱水塔工艺介绍  91-93
  7．3 溶剂脱水塔工作点是否最优的简单判断方法  93-97
  7．4 溶剂脱水塔先进控制系统  97-102
    7．4．1 先进控制变量组成及传递函数  97-99
    7．4．2 温度串级控制对系统特性的影响  99-100
    7．4．3 仿真结果  100-102
  7．5 本章小结  102-103
第八章 基于MiniMax的PID鲁棒参数整定  103-110
  8．1 引言  103
  8．2 PID控制器以及闭环控制系统描述  103-105
  8．3 基于MiniMax原则的鲁棒PID参数整定方法  105-108
  8．4 仿真研究  108
  8．5 本章小结  108-110
第九章 结束语  110-113
参考文献  113-122
致谢  122-123
博士期间参加的研究项目及发表的论文  123

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