基于微分-代數(shù)混合方程機(jī)理模型的非線性預(yù)測控制.pdf

1、在節(jié)能減排要求的不斷提高及生產(chǎn)成本的日益增加下，生產(chǎn)過程變工況運(yùn)行的要求越來越迫切。大范圍變工況控制必須考慮非線性動態(tài)特性的影響，因此對非線性控制器問題的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。另一方面，預(yù)測控制作為一種面向工業(yè)過程發(fā)展起來的計算機(jī)控制算法，具有控制性能較好、魯棒性強(qiáng)、能有效處理約束等特點(diǎn)，一直深受控制界的關(guān)注?；跈C(jī)理模型的非線性預(yù)測控制具有清晰的物理意義，適合工作點(diǎn)大范圍變動。流程工業(yè)中，往往采用微分—代數(shù)方程組(DAEs

2、)描述其動態(tài)機(jī)理模型，然而這類模型不僅求解困難，而且難以從理論上保證優(yōu)化求解過程的穩(wěn)定性。本文通過研究實(shí)際運(yùn)行的生產(chǎn)過程模型特點(diǎn)，深入研究非線性預(yù)測控制器的相關(guān)理論和算法設(shè)計，以及相應(yīng)的變負(fù)荷優(yōu)化控制命題，構(gòu)造出適于該類機(jī)理模型的通用的非線性預(yù)測控制算法，并以高溫氣冷堆核電站的集總參數(shù)模型為例進(jìn)行變負(fù)荷控制的仿真驗證。
　　 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　 1.分析DAEs特征，在全聯(lián)立算法框架下，研究正交配置離散算

3、法以及各種常用的正交配置點(diǎn)的計算原理與性質(zhì)，并提出相應(yīng)的判別公式，避免配置點(diǎn)選擇不當(dāng)引起自由度不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)無解，為DAEs的離散化和數(shù)值求解奠定基礎(chǔ)。最后，以連續(xù)和不連續(xù)兩種優(yōu)化命題對算法進(jìn)行仿真驗證。
　　 2.研究有限元正交配置法模擬求解DAEs的存在惟一性和基于Radau正交配置點(diǎn)的全聯(lián)立算法的穩(wěn)定性，從而為穩(wěn)定地模擬求解DAEs模型提供依據(jù)。提出開環(huán)動態(tài)優(yōu)化問題的兩層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一的非線性過程模型，可在變負(fù)荷情況

4、下，同時實(shí)現(xiàn)暫態(tài)控制性能與穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化。
　　 3.完成了基于一類DAEs機(jī)理模型的通用非線性預(yù)測控制系統(tǒng)軟件原型設(shè)計。首先針對實(shí)際運(yùn)行的流程工業(yè)系統(tǒng)模型特點(diǎn)，采用理論聯(lián)系工業(yè)實(shí)際的方法分析DAEs優(yōu)化問題解的存在惟一性與DAEs模型的index特點(diǎn)，為聯(lián)立算法在滾動優(yōu)化中的應(yīng)用提供保障。然后構(gòu)造出前饋補(bǔ)償與反饋校正結(jié)合的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并證明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，對于工業(yè)過程存在的不確定干擾或模型失配，本文提出的根據(jù)在線誤

5、差進(jìn)行模式切換的控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。
　　 4.采用基于Radau正交配置點(diǎn)的聯(lián)立法求解核電站的反應(yīng)堆模型。該方法不僅保證了離散的精度，對于求解剛性問題也有很好的穩(wěn)定性。針對不同變量擾動的仿真表明聯(lián)立法比傳統(tǒng)的嵌套算法具有更高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的快速仿真。
　　 5.分析高溫氣冷堆核電站機(jī)理模型的特點(diǎn)，對模型進(jìn)行驗證。并提出非線性模型預(yù)測控制器與PID控制器相結(jié)合的控制方法以及相應(yīng)的block技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對該