基于物理平台的大迟延对象预测控制算法研究及实现

发布时间：2019-11-01 19:22

【摘要】：工业生产中的大迟延对象往往存在着迟延大、惯性大、非线性强、模型参数不确定的特性,使用普通的PID控制器难以获得令人满意的控制品质。在火电机组的发电过程中,这样的情况更是普遍存在。动态矩阵预测控制算法具有算法简单、易实现、控制器输出响应及时迅速、算法鲁棒性强、抗干扰性强、对模型的精确度要求低、综合控制质量好的优点,因此本文采用动态矩阵预测控制算法设计针对大迟延对象的控制器。为了使预测控制算法能在硬件资源有限的设备上实现,本文采用集结策略对动态矩阵预测控制算法进行算法简化,并理论推导出新的预测模型、动态矩阵以及无约束控制律,并在MATLAB上进行仿真验证。本文还针对实际的热工控制过程,结合执行器的输出约束,进一步考虑动态矩阵预测控制算法的输出约束。论文根据采用集结策略降维简化后的动态矩阵预测控制算法,理论推导出预测控制器的输出约束,并分别采用黄金分割法和改进粒子群算法,在输出约束区间内求解最优控制量。为了使算法的研究成果更具有工程应用价值,本文使用典型的实际热工对象建立了一套预测控制物理实验平台,并在该平台上对本文所设计的有约束预测控制算法进行实验验证。最后,本文结合华电某发电厂锅炉脱硝控制策略改造项目,并根据现场的实际情况,设计了一套有约束前馈预测控制算法,并使用西门子S7-200 PLC实现算法的功能。根据现场的运行情况,该前馈预测控制算法能够有效地克服脱硝过程的大迟延、非线性,取得了令人满意的控制效果。
【图文】：

预测控制,实验平台,总体结构

例如采用仿真机、MATLAB、PSCAD、Digsilent 等仿真软件虽然可以方便地建立研究所需的被控对象，但也存在一些问题：第立的模型一般是单一参数下理想化的线性化模型，而实际的模型往往并且其状态一直受到外界环境对它的影响，因此其模型参数是不固真软件中的执行器也是较为理想化的：动作迅速、无死区（或仅有一般都是线性化的，而实际的执行器是有动作时间的，且输出带有更关键的是实际的执行器具有传动死区，即执行器反向动作时会有一响应区间，这个是大部分的仿真软件所没有考虑到的。此，为了使研究的成果能更快地应用到工业生产当中，本文以 MAT软件，实际的双容水箱作为被控对象，建立了一套预测控制实验平仿真建模的误差对研究结果的影响，提高了成果的实用价值。验平台简介文所建立的预测控制实验平台，其主要由三大部分组成：操作员站YC-SX 多变量过程控制实验平台（建模平台）。其总体结构如图 5-1

人机操作界面

图 5-3 人机操作界面设计的人机操作界面整体分为五个部分：分位于界面左侧上半部分，其用于输入整个控制系统的给定参数：建模时域 N、优化时域 P、控制时域 M、误差跟踪权系数 r、误差校正权系数 h。分位于界面左侧下半部分，其用于输入预测模型的各项参数数 T、纯迟延 τ、模型的仿真步距 dt。其中，，当模型的传递函，输入的各时间常数需用“回车键”隔开。分和第二部分中的所有参数都可以在线更改，方便预测控制模型不精确或者模型变化实验。分位于界面右上角，其包含“手动”、“自动”、“停止”、“手手动输出”键用于控制器在手动状态下时手动设定控制器的键分别是用于设定控制器的运行状态：手动状态、自动状态、分位于界面右侧的中间，其功能是选择预测控制算法的类型算法可以选择：无约束动态矩阵控制算法、基于集结算法的
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273

【参考文献】