（控制理论与控制工程专业论文）复杂热工系统先进控制与优化研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 本文以火电厂复杂热工系统为研究对象，围绕复杂工业过程的控制与优化 研究的热点问题，进行了下面两个部分的研究：一是预测p i d 控制系统的鲁棒 稳定性研究，内容涉及到针对由一阶加纯滞后对象、二阶加纯滞后对象及非最 小相位系统和预测p i d 控制器组成的系统的鲁棒稳定性分析，给出了系统保持 稳定的最大过程参数区间。并验证了在大滞后情况下，系统均能保持稳定，为 d c s 系统的设计提供一定的指导作用；二是监控层优化设定问题的讨论，内容 涉及到两层控制器的设计和设定点的优化研究。 工业自动化己进入计算机时代，进入了所谓的计算机集成过程系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s s e ss y s t e m ，简称c i p s ) 的时代，过程系统自动化的 范围已经有了很大扩展，即从设备的基本控制、先进控制扩展到监督控制、生 产计划与调度、信息管理与经营决策。无论从学科的发展，还是从国民经济的 迫切需要来看，自动化当前的任务已经从单机自动化孤岛的模式转向多层次、 多模式、多视图的综合集成自动化模式，这是一种全新的哲理与概念。 本论文在广泛查阅各类文献的基础上，分别从上述两方面开展工作，符合 当前控制领域的研究方向，是该领域当前研究的热点与难点。论文的主要内容 与创新点包括： 1 、实际的热工过程总是存在于不确定的环境之中，总会受到预先未知的各 种不确定性的影响，模型和被控对象之间也不可避免地存在着模型失配的情况。 基于模型设计的最优控制应用于实际对象可能导致系统的性能变差，因此有必 要对控制系统进行鲁棒稳定性的研究。在参数不确定的情况下，到目前为止， 还没有一种较好的方法来分析这种由被控对象和预测p i d 控制器组成的系统的 鲁棒稳定性。文中运用了双线性变换，将离散的特征多项式转化成连续的特征 多项式。对于任意给定的参数区间，利用k h a r i t o n o v 定理和边缘理论分析由被 控对象和预测p i d 控制器组成的系统在对象参数不确定情况下输入输出的鲁棒 稳定性。针对一阶加纯滞后对象给出了系统保持稳定的最大过程参数区间。 2 、由于一些复杂的热工系统无法用简单的一阶加纯滞后对象进行简化代 替，所以本文针对二阶加纯滞后对象利用k h a r i t o n o v 定理和边缘理论分析由二 山东大学博士学位论文 阶加纯滞后对象和预测p i d 控制器组成的系统在对象参数不确定情况下输入输 出的鲁棒稳定性。针对二阶加纯滞后对象给出了系统保持稳定的最大过程参数 区间。 3 、由于非最小相位系统在工业界具有一定的代表性，如锅炉的给水控制， 因此研究非最小相位系统的鲁棒稳定性具有重要的应用价值。这里主要分析这 种由非最小相位系统和预测p i d 控制器组成的系统的鲁棒稳定性。这种连续特 征多项式的h u r w i t z 稳定性可由k h a r i t o n o v 定理和边缘理论给出。结果表明， 当过程参数偏离标称值的情况下，系统仍能保持稳定，证明了该系统具有良好 的鲁棒稳定性。 4 、对于热工过程而言，在不同的生产条件下，充分发挥设备的最大潜力， 最低限度的消耗能源和原材料，在保证质量的前提下达到最高产量，是生产过 程最优化的内容。然而，实现生产过程最优化涉及的是一个装置或一个车间， 因而需要大量的信息，建立较为复杂的模型，并进行大量的运算和求解，这些 均需要由监控层来实现。当工况处在稳定状态时，设计两层控制器，控制层运 用预测p i d 控制代替常规的p i d 控制，监控层采用广义预测控制，因为广义预 测控制有展示系统未来动态行为的功能，利用预测模型为预测控制进行优化提 供先验知识，从而决定采用何种输入，使对象输出符合预期的目标。实验结果 表明，与设定点固定的控制方法相比，这种两层控制器可以消除不确定性影响， 控制性能和经济目标均有了较大改善。应用于锅炉压力控制系统，得到了较好 的控制效果。 5 、当工况受到较大扰动时，例如甩负荷。锅炉的变量如主蒸汽压力和汽包 水位都会产生较大的波动。简单的底层控制器消除这种波动的效果不太理想。文 中提出了两层结构控制方法来改善系统的性能。底层控制采用预测p i d 控制方法， 监控层采用模糊控制，由于模糊控制的鲁棒性好，在偏离工作点较远的区域可以 明显改善系统的动态性能。因此，根据当前的工况，蒸汽压力和水位的设定点由 基于模糊理论的监控层给出。针对一个具体的锅炉系统，改进后的方法其控制性 能和经济目标均有了很大的改善。 6 、当优化问题比较复杂时，用一般的解析方法得到的可能仅仅是局部最优 解，无法得到全局最优解。这时采用两层控制器，控制层采用预测p i d 控制方 山东大学博士学位论文 法，这就使得控制层的性能有了很大的改善。监控层应用的是遗传算法理论， 遗传算法具有鲁棒性能好，计算篱单及功能强的特点，可以有效地解决约束的 问题。本文没有谈到具体的实现，只是方法的研究，将这种方法应用到锅炉压 力控制系统中，和设定点露定时的结果进行眈较，可| 以褥出结论，本文提出的 优化设定方法在经济目标和能源损耗方面要好于其它的普通控制方法。 关键词：d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) ；预测控制；鲁棒稳定性；非最小相位 系统；监控层控制；预测p i d 控制；模凝控制；遗传算法。 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h ec o m p l e xt h e r m a lp r o c e s s e s ，a i m i n ga tt h eh o t s p o tp r o b l e m so f t h ec o n t r o l l i n ga n do p t i m i z a t i o ni n v e s t i g a t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st w op a r t so f r e s e a r c hc o n t e n t s t h ef i r s to n ei sr o b u s ts t a b i l i t ya n a l y s i so fp r e d i c t i v ep i dc o n t r o l l e r , b a s e do nf i r s t - o r d e rp l u sd e a d t i m em o d e l ，s e c o n d - o r d e rp l u sd e a d - t i m em o d e la n d n o n m i n i m u mp h a s em o d e l ，a r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e t t e rr o b u s t n e s st h a n p i dc o n t r o la l g o r i t h mw h e nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ef a ra w a yf r o mt h en o r m a l v a l u e t h e r a n g e so fl a r g e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eg i v e nw h e n t h e s y s t e m s p a r a m e t e r sa r eu n c e r t a i n t y t h es e c o n do n ei st h er e s e a r c ho fo p t i m i z i n gt h es e t p o i n t s o fs u p e r v i s o r yl e v e l ，w h i c hd e a l 埘t 1 1t h ed e s i g n i n go ft h et w o - l e v e lc o n t r o l l e ra n dt h e o p t i m i z a t i o na n a l y s i so f t h es e t - p o i n t i n d u s t r ya u t o m a t i z a t i o nh a sc o m ei n t oc o m p u t e ra g e s j u s ta st h ec o m p u t e r i n t e g r a t e d p r o c e s s e s s y s t e m ( c i p s ) t h eb o u n d a r y o ft h e p r o c e s ss y s t e m a u t o m a t i z a t i o nw a se n l a r g e dg r e a t l y t h a ti sc h a n g ef r o mt h eb a s i cc o n t r o l l i n ga n d a d v a n c e d c o n t r o l l i n gt o t h e s u p e r v i s o r yc o n t r o l l i n g ，m a n u f a c t u r ep r o j e c ta n d a t t e m p e r , i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nm a k i n g t h ea s s i g n m e n to ft h e a u t o m a t i o nh a sb e e nt r a n s f o r m e df r o mt h es t a n d - a l o n em o d et ot h ei n t e g r a t i o n a u t o m a t i cm o d e ，w h i c hi sm u l t i l a y e r , m u l t i - p a t t e r n ，m u l t i - v i e w , f o rt h ep u r p o s eo f t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o na n dt h ee c o n o m y t h i si sab r a n n e wp h i l o s o p h i c t h e o r ya n d i d e a r e f e r r i n gt ol i t e r a t u r e s ，t w oa s p e c t so fw o r ka b o v em e n t i o n e da r ep u tf o r w a r di n t h i sp a p e r , w h i c ha c c o r d st oc u r r e n tr e s e a r c hd i r e c t i o no fc o n t r o lt h e o r ya n di ti st h e h o t s p o ta n dt h ed i f f i c u l ts p o ti nt h ef i e l d t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o np o i n t so f t h i si n c l u d e ： 1 、t h ea c t u a lt h e r m a li n d u s t r yp r o c e s s e sa r ea l w a y si nt h eu n c e r t a i nc o n d i t i o na n d t h e ya r eu s u a l l ya f f e c t e db ys o m eb e f o r e h a n du n d i s c o v e r e di n c e r t i t u d ef a c t o r s ，t h e m a t c h i n gi sn o ta l w a y se x i s tb e t w e e nt h em o d e la n dt h ec o n t r o l l e do b j e c t t h eb e s t c o n t r o lv a l u eb a s e do nt h em o d e lp e r h a p sw i l ll e a dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mt o x 山东大学博士学位论文 w o r s ew h e ni tw a su s e di nt h ea c t u a lp r o c e s s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e r o b u s t n e s so ft h ep r e d i c t i v ep i dc o n t r o l 。t h ei n p u ta n do u t p u tr o b u s ts t a b i l i t y a n a l y s i s o fp r e d i c t i v ep i dc o n t r o li s p r o p o s e d ，a i m e dt o t h ef i r s t - o r d e rp l u s d e a d - t i m em o d e l ，b yu s i n gk _ h a r i t o n o vt h e o r e ma n de d g et h e o r e m 。mr a n g e so f l a r g e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eg i v e nw h e nt h es y s t e m sp a r a m e t e r sa r eu n c e r t a i n t y t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sc o n t r o la l g o r i t h m h a sb e t t e rr o b u s t n e s st h a np i dc o n t r o la l g o r i t h mw h e nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ef a r a w a yf r o mt h en o r m a lv a l u e 。 2 、b e c a u s es o m ec o m p l e xt h e r m a lp r o c e s s e sc a nn o tb er e p l a c e db yt h es i m p l e f i r s t - o r d e rp l u sd e a d - t i m es y s t e m ，i nt h i sp a p e r , a i m e dt ot h es e c o n d o r d e rp l u s d e a d - t i m em o d e l ，b yu s i n gk h a r i t o n o vt h e o r e ma n de d g et h e o r e m t h er a n g e so f l a r g e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eg i v e nw h e nt h es y s t e m sp a r a m e t e r sa r eu n c e r t a i n t y t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sc o n t r o la l g o r i t h m h a sb e t t e rr o b u s t n e s st h a np i dc o n t r o la l g o r i t h mw h e nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ef a r a w a yf r o mt h en o r m a lv a l u e 3 、露臻n o n - m i n i m u mp h a s em o d e li sr e p r e s e n t a t i v ei nt h ei n d u s t r yf i e l d ，s u c ha st h e f e e d w a t e rs y s t e mo ft h eb o i l e r t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h er o b u s t s t a b i l i t yo ft h en o n - m i n i m u mp h a s es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h er o b u s ts t a b i l i t yo ft h e p r e d i c t i v ep i ds y s t e mi sr e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e sa c e r t a i nd i r e c t i v ee f f e c tf o rt h e d e s i g no fd c ss y s t e m u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo ft h eu n c e r t a i n t yo f t h ep a r a m e t e r s ， t h e r ei sn o tab e t t e rm e t h o dt os t u d yt h es c h u rs t a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed i s c r e t ec h a r a c t e r i s t i c p o l y n o m i a l c a l lb et r a n s f o r mi n t o t h ec o n t i n u o u s c h a r a c t e r i t i cp o l y n o m i a lb yu s i n gt h ed o u b l el i n e a rt r a n s f o r m a n dt h eh u r w i t z s t a b i l i t yc a l lb ev a l i d a t eb yu s i n gk h a r i t o n o vt h e r o ya n dt h ee d g et h e o r yt o t h i s c o n t i n u o u sc h a m c t e r i t i cp o l y n o m i a l 4 、u n d e rt h ed i f f e r e n tp r o d u c t i o nc o n d i t i o np o i n to fv i e w f r o mt h ec o n t r o l ，i ti st h e o p t i m i z a t i o nc o n t e n t s ，s u c ha sa d e q u a t e l ye x e r t i n gt h ee q u i p m e n t sm o s tp o t e n t i a l ， m i n i m a l l yc o n s u m i n gt h ee n e r g ys o u r c e sa n dr a wm a t e r i a l s ，g e t t i n gt h et i p t o ph i g h y i e l dg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t y w h e r e a s ，p r o c e s s e so p t i m i z a t i o nr e l a t e st oa s e to ra p l a n t ，s oag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o ni sn e c e s s a r y , t h ec o m p l e xm o d e ls h o u l db es e t x i 山东大学博士学位论文 u pa n dag r e a tl o to fo p e r a t i o ns h o u l db ec a l t yt h r o u g h a l lo f t h e s ec a nb er e a l i z e d b yt h es u p e r v i s o r yl e v e l i nt h ec o n t r o ll e v e l ，t h eg e n e r a lp i d c o n t r o li sr e p l a c e db y p r e d i c t i v ep i ds t r a t e g ya n dt h eg e n e r a lp r e d i c t i v ec o n t r o li su s e di nt h es u p e r v i s o r y l e v e l t h eg e n e r a lp r e d i c t i v ec o n t r o lh a st h ef u n c t i o no fd i s p l a yt h ei n t e n d i n g d y n a m i ca c t i o no ft h es y s t e m ，t h ei n f o r m a t i o ni ss u p p l i e db yu s i n gt h ep r e d i c t i v e m o d e la n dt h e nt h ei n p u ti sd e t e r m i n e d ，t h eo b je c ti st om a k et h eo u p u to ft h e p r o c e s sc l o s et ot h ea n t i c i p a t i v e r e s u l t t h eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h e e c o n o m yo b j e c t i v eh a v ev e r i f i e db ya p p l y i n gt h i sm e t h o dt oab o i l e rs y s t e m 5 、t h e r eb e i n gs e v e r el o a dv a r i a t i o n ，t h eb o i l e rv a r i a b l e s ( s u c ha st h es t e a mp r e s s u r e a n dt h ew a t e rl e v e l ) u n d e rg os o m em a j o rf l u c t u a t i o n s s u c hf l u c t u a t i o n sa r ed i f f i c u l t t om i n i m i z eu s i n gc l a s s i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e s at w o l e v e ls t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o d h a sb e e np u tf o r w a r di nt h i ss t u d yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eb o i l e rr e s p o n s e d u r i n gs u c hd i s t u r b a n c e ，i nw h i c ht h ed i r e c tl e v e lc o n s i s t so fap r e d i c t i v ep i d c o n t r o l l e r ；a n dt h es e t p o i n t so ft h ed r u ms t e a mp r e s s u r ea n dt h ew a t e rl e v e ld e v i a t i o n a r em o d i f i e dw h e n e v e rn e c e s s a r yb yas u p e r v i s o rp a r t i a l l yb a s e do nf u z z yt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n t h eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h e e c o n o m yo b j e c t i v eh a v ev e r i f i e db ya p p l y i n g t h i sm e t h o dt oab o i l e rs y s t e m 6 、g e n e r a l l y , i nt h ei n d u s t r ym a n u f a c t u r ep r o c e s s e s ，t h es e t - p o i n t so ft h el o o pa r e d e c i d e db yt h eo p e r a t o ra c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e a sar e s u l t ，t h es e t - p o i n ti sv e r y r a n d o m b u tt h eq u a l i t y , b e n e f i to ft h ep r o c e s s e si sc o n n e c t e dc l o s e l y 、v i t l lt h ep r o p e r s e t p o i n t t h eo p t i m i z a t i o no f t h es e t - p o i n ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h ee c o n o m i cb e n e f i t i nt h ec o m p l e xi n d u s t r y , t h e r ea r es om a n yc o n t r o ll o o p s ，t h em a n u f a c t u r ep r o c e s s e s c a nb eg u a r a n t e ei fo n l yt h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r sa r ek e p ti nac e r t a i nr a n g e b u tt h e c o n t r o l l e dp a r a m e t e r sa r er e l a t e dt ot h ec o n s u m i n go fr a wm a t e r i a la n de n e r g y s o a n o t h e rs e to fp a r a m e t e r sp e r h a p sw i l ll e a dt ot h ed i f f e r e n tp r o d u c ec o s ta n dd i f f e r e n t y i e l de f f i c i e n c y m o s to ft h ep r o c e s s e sh a v et h es e l fb a l a n c ec a p a c i t y t h e r e f o r e ，t h e o p t i m i z a t i o no ft h es e t p o i n th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n g i nt h i sp a p e r , t h es u p e r v i s o r y l e v e li ss e r i n go nt h ec o n t r o ll e v e l t h ep r e d i c t i v ec o n t r o li su s e di nt h ec o n t r o ll e v e l t h ed c si st h ea r t e r yi nt h ei n d u s t r yf i e l d ，t h ec o m b i n a t i o no fs e v e r a lp i dm o d u l e s h a st h ec o n t r o lf u n c t i o no ft h ep r e d i c t i v ep i db a s e dm o d e l ，w h i c hc a ni m p r o v et h e i 山东大学博士学位论文 p e r f o r c a n c eo ft h ec o n t r o ll e v e l t h eg e n e t i ca l g o r i t h mt h e o r yi su s e di nt h e s u p e r v i s o r yl e v e l 。t h eg e n e t i ca l g o r i t h mt h e o r yh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fb e t t e r r o b u s t ，s i m p l yc o m p u t ea n ds t r o n gf u n c t i o n i tc a nd e a lw i t ht h ep r o b l e mw i t h c o n s t r a i n 。t h eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h ee c o n o m yo b j e c t i v eh a v eb e e n v e r i f i e db ya p p l y i n gt h i sm e t h o dt oab o i l e rs y s t e m k e yw o r d s ：d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ) ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；r o b u s t s t a b i l i t y ；n o n - m i n i m u mp h a s es y s t e m ；s u p e r v i s o r yc o n t r o l ；p r e d i c t i v ep i d c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；g e n e t i ca l g o r i t h m 山东人学博十学位论文 缩略词： 缩略词注释表及符号说明 c i p s c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s s e ss y s t e m 计算机集成过程系统 d c sd i s t r u b u t e dc o n t r o ls y s t e m 分布式控制系统 a n na r i t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s人工神经网络 f c f u z z yc o n t r o l 模糊控制 g ag e n e t i ca l g o r i t h m 遗传算法 s i s o s i m p l ei n p u ta n ds i m p l e o u t p u t 单输入单输出 p i d p r o p o r t i o n a lp l u si n t e g r a lp l u sd e r i v a t i v e 比例积分微分控制 p q s p r e d i c t i v eq u a d r a t i cs t a b i l i t y预n - 次稳定性 l m il i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t i e s线性矩阵不等式 b i b o b o u n d e di n p u tb o u n d e do u t p u t有界输入有界输出 f n n f u z z yn e u r a ln e t w o r k s 模糊神经网络 m p h cm o d e lp r e d i c t i v eh e u r i s t i cc o n t r o l 模型预测启发控制 m a cm o d e la r i t h m e t i cc o n t r o l模型算法控制 d m c d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l 动态矩阵控制 g p cg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l广义预测控制 c a r i m ac o n t r o l l e da u t o r e g r e s s i v ei n t e g r a t e d受控自回归积分滑动 m o v i n ga v e r a g e 平均模型 e c e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n 进化计算 符号说明： k 。：比例系数 t 。：积分时间 t d ：微分时间 r ：采样时间 n a ：预测时域的最小值 山东大学博士学位论文 嘞：预测时域的最大值 魂：控制时域 名：控制时域加权系数 c o ( t ) ：零均值自噪声 瑾：柔化因子 咒( ，) ：控制层加权序列 q ：燃料燃烧释放的热量 ：从水冷壁进入汽包的蒸汽流量 只：汽包压力 ：主汽流量 o ；调气门开度 j ：目标函数 也：经济效益西标 以：控制层目标 屯，x ：水膨胀和收缩的状态 磁：蒸汽流速 l ：汽包水位值 办；流体密度 x ：，t ：一对交叉前鹃个体 妒1 ，z ? 1 ：交叉后的子代个体 ：变异概律 x l ：搜索区间的上限和下限 z ：平均适应值 山东大学博士学位论文 z 一：最大适应值 z 曲：最小适应值 口：种群的适应值方差 d 麟：群体的最大适应值方差 r ：第f 代群体的多样性程度 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耋数墨 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分肉容编入有关数攒库进行检索，可以采用影印、缩印或其德笈筏手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：红导师签名：蓝逸日期： 山东大学博士学位论文 第一章概述 工业自动化已进入计算机时代，进入了所谓的计算机集成过程系统 ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s s e ss y s t e m ，简称c i p s ) 的时代，过程系统自动化的 范围已经有了很大扩展，即从设备的基本控制、先进控制扩展到监督控制、 生产计划与调度、信息管理与经营决策。无论从学科的发展，还是从国民经 济的迫切需要来看，自动化当前的任务已经从单机自动化孤岛的模式转向如 图1 1 所示的多层次、多模式、多视图的综合集成自动化模式，这是一种全 新的哲理与概念【l j 。 、一7 、。一“一 、 0 、曼蹩墨， )二) ) 决策信息 z 一 【一 管理信息 工 调度信息 弋。 j 【一 工况信息 决策经营 。t 。一 主 管理系统 _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。一 主 生产调度 t 主 监控系统 ( 画区互 恒 生产过程 优化调度 高等控制 操作优化 故障诊断 复杂控制 常规控制 图1 1c i p s 结构模型 本论文的第一部分内容预测p i d 控制系统的鲁棒稳定性研究主要基 于下列事实与背景： ( 1 ) 过程控制的发展与控制理论、仪表、计算机、计算机通信与网络以及 相关学科的发展是紧密联系的。过程控制的发展大致经历了7 0 年代以前的简 大二理理 最二管管润二产营 利二生经 山东大学博士学位论文 单控制系统、7 0 年代至8 0 年代的先进控制系统和9 0 年代以来的综合自动化 这样3 个发展阶段。在7 0 年代至8 0 年代，由于计算机技术的大力发展，出 现了分布式工业控制计算机系统( d i s t r u b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 。 d c s 系统的主要优点在于控制的功能分散，使得每一个控制硬件模块进行一 种控制任务并具有一定冗余度。这些控制硬件模块类似于一个微型计算机系 统，只不过它被预先安装了一组控制应用软件，在这些软件中包括用于过程 控制的多种标准算法模块。d c s 取代模拟控制仪表，可实现集中管理、分散 控制、灵活性大、系统安装工程小、可靠性高，已广泛应用于许多的工业工 程。针对我国工业过程的实际情况，以中小规模装置的先进控制为目标，研 究开发模型预测控制算法嵌入到d c s 层组态控制软件中的技术以及用d c s 层组态控制软件模块实现模型预测控制算法的方法及其参数的工程整定规 则，一是可对控制系统进行综合仿真，为进一步实现推广应用奠定基础；二 是在d c s 层就可实现对复杂工业过程对象的预测控制，相应的功能由功能模 块实现。这对于推广应用预测控制技术具有重要实际意义和应用价值。 ( 2 ) 现代火力发电生产过程是典型的复杂工业过程，存在着多变量、非 线性、大惯性、参数时变、受不确定因素影响和生产条件及工况变化大的问 题。常规的机组控制方案结合前馈补偿、串级等控制策略，采用基于p i d 线 性控制算法的多个s i s o 反馈控制回路组成的分散控制结构，没有完善考虑上 述问题，因而无法保证系统长期正常运行，只能用来维持生产过程的平稳运 行。更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、 产率和消耗等指标。随着工业过程日益走向大型化、集成化、连续化、复杂 化，对过程控制的品质提出了更高的要求，控制的目标已不再局限于对某一 个变量或几个变量的平稳操作，而是越来越多的加入了以经济效益为目标的 其它控制要求，在这种情况下，控制与经济效益的矛盾日趋尖锐，迫切需要 一类合适的先进控制策略对这种复杂热工系统进行控制。 先进的控制策略主要有：广义预测控铝i j ( g p c ) 、推断控制、统计过程控制、 模糊控制( f c ) 、人工神经网络控铝i j ( a n n ) 、非线性控制、鲁棒控制以及遗传算 法( g a ) 。其中，广义预测控制是一种应用非常成熟而且效益极为显著的先进 控制策略。 2 山东大学博士学位论文 ( 3 ) 预测控制诞生于2 0 世纪7 0 年代，经过3 0 多年的发展与应用，从线性时 不变预测控制发展为应用于非线性、时变系统的多种预测控制技术，成为控制 工程界研究的一个热点。预测控制摆脱了传统控制基于严格数学模型的要求， 树立了一种全新的建立模型的概念。预测模型具有展示系统未来动态行为的功 能。这样，就可以利用预测模型为预测控制进行优化提供先验知识，从而决定 采用何种控制输入，使未来时刻被控对象的输出变化符合预期的目标。预测控 制是在工业实践过程中发展起来的，但是由于预测控制原理在软件、硬件及操 作人员培训等方面的特殊要求，使得这种先进的控制方法目前主要是应用于监 控层，在控制层无法得