改进差分进化算法及分数阶建模在管壳式换热器模型预测控制中的应用

发布时间：2017-09-13 00:37

  本文关键词：改进差分进化算法及分数阶建模在管壳式换热器模型预测控制中的应用

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【摘要】：研究中主要针对传统的二阶惯性系统模型精度不高、大范围工况变化时模型失配明显的问题,提出了新的模型结构,同时对现有的优化算法进行相应的改进,使之具有更强的鲁棒性和计算效率,能够应用到在线求解非线性模型预测控制中的最优控制律,为实现相似系统的更高精度的建模奠定前期基础。本论文的主要研究内容为:对传统的优化算法—差分进化算法进行了两点改进,在MATLAB中验证了改进后的算法性能提升明显,建立了管壳式换热器的分数阶模型,并将改进差分进化算法应用到管壳式换热器的非线性模型预测控制中。在简易实验系统上采用了基于误差的变预测时域和变约束条件控制策略,实验结果表明该控制策略能够有效减少系统的振荡。1)根据热力学模型推导了管壳式换热器的分数阶模型结构,实验结果表明在阶跃响应条件下管壳式换热器的分数阶模型具有更高的精度和更好的鲁棒性,在工况变化时仍然能够保持较好的模型精度。2)本文采用非线性模型预测控制的控制方法对管壳式换热器进行控制,在寻优算法方面对原有的差分进化算法进行了改进,主要通过参数的改变达到提高算法性能的目的。3)最后,搭建了简易的实验平台,根据实验数据建立了管壳式换热器的Weiner模型,实验结果表明采用分数阶模型和改进差分进化算法后,控制精度相比于传统的二阶惯性模型有了较大的提高。4)实验过程中采用基于误差的可变预测时域和可变约束条件控制策略,预测时域和约束条件具有乒乓结构,即误差大于阈值时采用较长的预测时域和较高的输入约束阈值,误差小于阈值时采用较短的预测时域和较小的输入约束阈值,实验结果表明该方法能有效抑制系统的振荡.
【关键词】：差分进化算法 模型预测控制 分数阶微积分 管壳式换热器 分数阶模型
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP18;TK172
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景与研究意义9
• 1.2 分数阶微积分理论研究现状9-10
• 1.3 非线性模型预测控制研究现状10-12
• 1.3.1 传统算法的改进11-12
• 1.3.2 智能算法的研究12
• 1.4 本课题主要研究内容12-14
• 第2章 非线性模型预测控制的基本原理与分数阶微积分的基本理论14-25
• 2.1 引言14-15
• 2.2 非线性模型预测控制的基本原理及数学描述15-18
• 2.2.1 非线性模型预测控制的基本原理15-16
• 2.2.2 非线性模型预测控制的预测模型16-17
• 2.2.3 非线性模型预测控制的统一数学描述17-18
• 2.3 非线性模型预测控制中的求解算法18-19
• 2.3.1 求解凸非线性规划的SQP法18-19
• 2.3.2 求解非线性规划的智能算法19
• 2.4 分数阶微积分的基本理论19-22
• 2.4.1 分数阶导数的定义19-20
• 2.4.2 分数阶拉普拉斯变换和逆变换20-21
• 2.4.3 分数阶系统的稳定性理论21-22
• 2.5 分数阶系统模型参数的最小二乘辨识法22-24
• 2.6 本章总结24-25
• 第3章 差分进化算法的改进25-37
• 3.1 引言25
• 3.2 传统差分进化算法的基本原理25-27
• 3.2.1 传统差分进化算法的基本步骤25-27
• 3.2.2 传统差分进化算法的参数意义27
• 3.3 差分进化算法的改进策略27-34
• 3.3.1 变异策略的改进27-29
• 3.3.2 变异算子和交叉率的选择29-34
• 3.4 改进差分进化算法有效性的证明34-36
• 3.5 本章总结36-37
• 第4章 管壳式换热器的分数阶模型37-46
• 4.1 引言37-38
• 4.2 管壳式换热器的分数阶模型38-43
• 4.2.1 管壳式换热器模型概述38
• 4.2.2 管壳式换热器的分数阶模型定性推导38-43
• 4.3 基于输出误差的可变控制时域、可变预测时域和可变约束控制策略43-44
• 4.4 本章总结44-46
• 第5章 基于分数阶模型和改进差分进化算法的管壳式换热器的实验46-56
• 5.1 引言46
• 5.2 管壳式换热器的实验平台的搭建46-52
• 5.2.1 换热器主体基本参数46-47
• 5.2.2 输入输出接口电路的设计47-49
• 5.2.3 实验系统的非线性模型预测控制的数学描述49-50
• 5.2.4 实验系统程序伪代码及改进差分进化算法参数设置50-52
• 5.3 分数阶模型与二阶惯性指数模型的实验结果对比分析52-54
• 5.4 常预测时域与变预测时域、变控制时域和可变约束控制的实验结果对比分析54-55
• 5.5 本章总结55-56
• 第6章 全文总结56-58
• 6.1 本文研究工作总结56
• 6.2 下一步工作展望56-58
• 参考文献58-62
• 作者简介以及在读期间的研究成果62-63
• 致谢63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 何德峰;丁宝苍;于树友;;非线性系统模型预测控制若干基本特点与主题回顾[J];控制理论与应用;2013年03期

2 席裕庚;李德伟;林姝;;模型预测控制——现状与挑战[J];自动化学报;2013年03期

3 贺毅朝;王熙照;刘坤起;王彦祺;;差分演化的收敛性分析与算法改进[J];软件学报;2010年05期

4 李华杰;吕文祥;黄德先;;基于差分进化算法的多变量预测控制在蒸馏装置上的应用[J];化工进展;2009年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李旺;分数阶系统辨识与控制器设计研究[D];中国科学技术大学;2010年

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本文编号：840470