預(yù)測控制綜合方法及其在回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的應(yīng)用研究.pdf

1、預(yù)測控制自從上世紀(jì)70年代問世以來，因其控制機(jī)理對復(fù)雜工業(yè)過程的適應(yīng)性而在工業(yè)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，其理論研究也受到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視。具有穩(wěn)定性保證的預(yù)測控制綜合理論是預(yù)測控制當(dāng)前研究的一個重要分支，由于其充分借鑒了最優(yōu)控制、Lyapunov分析、不變集等成熟理論和方法，使預(yù)測控制的理論研究實現(xiàn)了新的飛躍，取得了豐碩的研究成果。但是，不同于經(jīng)典預(yù)測控制方法的廣泛應(yīng)用，這些成果與實際工業(yè)過程卻仍存在著很大的距離。這主要有兩方面的原因:一方

2、面，大部分工業(yè)過程反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，常常存在著參數(shù)時變、不確定、多變量、強(qiáng)耦合、大慣性及時滯等問題;另一方面，由于預(yù)測綜合方法自身采用狀態(tài)空間模型及LMI技術(shù)進(jìn)行求解，還會遇到預(yù)測模型難以建立或模型階次過高、在線計算量大、狀態(tài)不可測及初始可行域范圍有限等問題。本文研究的出發(fā)點是以回轉(zhuǎn)窯這一典型復(fù)雜工業(yè)過程的實際控制需求為背景對上述問題進(jìn)行研究，分析與改進(jìn)預(yù)測控制綜合方法，進(jìn)而設(shè)計一種將復(fù)雜的預(yù)測控制綜合方法應(yīng)用于實際工業(yè)過程的有效策略和思路

3、。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　為解決預(yù)測控制綜合方法在線計算量大的問題，采用了離線預(yù)測在線綜合的方法，選取N個向原點不斷靠近的一系列離散狀態(tài)，計算得到恰好包括這些狀態(tài)的N個橢圓及對應(yīng)的控制參數(shù)，然后在線選取與當(dāng)前狀態(tài)相鄰兩橢圓所對應(yīng)控制律的凸組合進(jìn)行控制?？紤]到離線方法在一定程度上損失了控制的最優(yōu)性，借鑒變終端約束集的思想在線引入優(yōu)化參數(shù)θ，增加了在線優(yōu)化的自由度，改善了系統(tǒng)的最優(yōu)性。同時，為降低改進(jìn)后算法的在線計算強(qiáng)度，提出了

4、變約束控制策略，根據(jù)凸組合的性質(zhì)令狀態(tài)在不同穩(wěn)定橢圓域?qū)?yīng)不同的約束值，其新建立的約束范圍不影響解的最優(yōu)性和算法的穩(wěn)定性且通常小于原有恒定的約束值，這樣減小了優(yōu)化搜索的范圍可以有效提高運算效率節(jié)省在線求解時間。
　　針對實際工業(yè)過程中經(jīng)常會遇到的狀態(tài)不可測及需要跟蹤動態(tài)變化目標(biāo)的問題，設(shè)計了輸出—跟蹤預(yù)測控制綜合方法。在跟蹤設(shè)計部分完整的給出了參考輸出目標(biāo)與對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)、控制量之間的換算方法與轉(zhuǎn)換矩陣，便于在線應(yīng)用。在輸出反饋設(shè)

5、計部分采用了Luenberger狀態(tài)觀測器對狀態(tài)進(jìn)行觀測，在滿足LMI形式的多面體二次穩(wěn)定條件下計算得到觀測器增益。并且，利用離線方法的特點給出了帶觀測器增廣閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性檢驗指標(biāo)，從而設(shè)計出具有穩(wěn)定性保證的觀測器。最后給出了輸出—跟蹤預(yù)測控制整體算法，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。
　　采用遞推子空間方法實現(xiàn)了在輸出—跟蹤預(yù)測控制綜合算法中標(biāo)稱模型的自適應(yīng)。為提高收斂速率，在構(gòu)建Hankel矩陣過程中采用了基于模型匹配誤差的時變遺忘因子

6、。利用Givens旋轉(zhuǎn)變化的策略，避免了每一步都要進(jìn)行QR分解，節(jié)約了計算時間。同時，為保證模型辨識過程中信號的充分激勵又不影響其控制效果，在算法中還采用了根據(jù)模型誤差大小來決定隨機(jī)激勵是否施加的策略。
　　針對被控對象存在時滯及給定參考值大范圍變化的問題，提出了增益調(diào)度時滯預(yù)測控制綜合方法。首先，對不確定時滯系統(tǒng)設(shè)計了預(yù)測控制算法，通過Schuurmans的方法計算未來狀態(tài)所處的緊集，并針對時滯系統(tǒng)給出其優(yōu)化求解的性能指標(biāo)、穩(wěn)定

7、約束及輸入和狀態(tài)約束的LMI形式。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了離線—在線時滯預(yù)測控制策略。進(jìn)一步，又提出了增益調(diào)度時滯預(yù)測控制綜合方法，解決了大范圍目標(biāo)的跟蹤問題。在每一個穩(wěn)定可行域內(nèi)設(shè)計了對應(yīng)于該范圍的時滯預(yù)測控制器，利用各個可行域之間的互相重疊，將系統(tǒng)狀態(tài)驅(qū)動至要求達(dá)到的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)。
　　利用PO-Moesp子空間方法建立了回轉(zhuǎn)窯煅燒帶的狀態(tài)空間模型。在詳細(xì)分析主要工藝流程以及煅燒過程中各種反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)場操作規(guī)程選取了煅燒帶溫

8、度建模的輸入輸出變量。在建模的過程中提出了新的階次選取方法，即以階次、時滯雙重參數(shù)的誤差性能準(zhǔn)則取代原有的單純依靠階次一個參數(shù)的誤差性能準(zhǔn)則，有效的解決了建模對象存在時滯而導(dǎo)致模型階次過高的問題，提高了建模的精度。
　　以石灰回轉(zhuǎn)窯為背景，設(shè)計了煅燒帶溫度預(yù)測控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括設(shè)定值模塊、底層煅燒帶溫度軟測量、預(yù)測控制綜合模塊等幾個主要部分。針對缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行煅燒帶溫度軟測量建模的問題，提出了利用模型遷移方法將大量實測數(shù)據(jù)獲