汽—水型热交换器供水温度PIλDμ-蒸汽流量PIλ串级控制系统的数值研究

摘要

汽－水型热交换器(Vapor-water Type Heat Exchanger,VWTHE)作为热力站的重要设备之一，在集中式供暖系统中发挥着调节、转换、分配供热介质的作用，其具有非线性、参数时变和时滞等动态特性。目前，PID单回路控制方式和PID-PI串级控制方式是VWTHE实际应用的主要自控方式。这种常规控制模式会导致其供水温度存在较大误差、超调量较大以及调节时间较长等问题，难以取得期望的控制效果。 鉴于此，本文的研究目标在于进一步改善VWTHE的控制方式，获得更为满意的控制效果。首先，综合分析VWTHE的供暖工艺过程和PIλDμ控制技术，提出供水温度PIλDμ－蒸汽流量PIλ串级控制系统；其次，对于PIλDμ和PIλ控制器的关键问题－参数整定，构建了改进的粒子群优化算法(Modified Particle Swarm Optimization Algorithm,MPSOA)进行整定，获取相应参数的最佳值；最后，借助MATLAB/Simulink工具，对该串级控制系统进行组态和数值仿真。其控制结果验证了本文所提出的PIλDμ串级控制策略和MPSOA的可行性。相应的主要研究任务与内容如下： 1.基于标准粒子群优化算法(Standard Particle Swarm Optimization Algorithm,SPSOA)，通过对惯性权重w和加速系数c1和c2加以适当变化，构建出改进的粒子群优化算法(Modified Particle Swarm Optimization Algorithm,MPSOA)的结构模型与运算流程。通过已有文献中的经典函数算例的验算，结果表明该MPSOA比SPSOA在收敛性与多样性方面均有明显的提升。 2.对于该串级控制系统的核心－PIλDμ控制器，应用改进的Oustaloup滤波算法对其进行了精准的拟合。且通过伯德图的频域特性分析及已有文献中的算例验证，表明了其比PID控制器具有更好的控制性能。进一步，通过水箱液位控制实验，验证了MPSOA整定控制器参数的可行性。 3.综合集中式供暖工艺和自动控制的相关要求，对VWTHE温度对象、供水温度和蒸汽流量测量变送单元、蒸汽流量执行单元分别进行建模，确定主控制器为供水温度PIλDμ控制器(Supply Water Temperature Fractional Order Proportional Integral Derivative Controller,SWT-FOPIDC)和副控制器为蒸汽流量PIλ控制器(Steam Flow Fractional Order Proportional Integral Controller,SF-FOPIC)的串级控制策略。且以min ITAE为适应度函数J的性能评价指标，运行MPSOA分别整定出SWT-FOPIDC和SF-FOPIC的八个控制器参数最佳值。 4.在冬季供暖工况下，基于MATLAB/Simulink工具，对该串级控制系统进行组态和数值仿真。结果表明，该系统中的超调量更小、响应更快、抗干扰能力强，可适用于大惯性对象和超调量大的系统；且供水温度、蒸汽流量均满足集中式供暖工艺的要求。 5.对于相同的VWTHE和供暖工况，构建了供水温度PID－蒸汽流量PI串级控制的数值模拟系统。基于结果的分析，在供水温度的稳态误差、超调量和调节时间等性能指标方面，本文所提出的基于MPSOA参数整定的供水温度PIλDμ－蒸汽流量PIλ串级控制策略明显优于供水温度PID－蒸汽流量PI串级控制系统。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题的研究背景及意义

1.2.1 研究背景

1.2.2 课题的提出及研究意义

1.3 国内外研究与应用现状

1.3.1 VWTHE串级控制系统的应用

1.3.2 分数阶控制理论的发展及应用

1.3.3 PSO算法在控制领域的研究现状

1.4 本文主要章节的研究内容

第2章 改进的粒子群优化算法

2.1 粒子群优化算法的基本理论

2.1.1 粒子群优化算法的建模

2.1.2 粒子群优化算法的特点

2.1.3 标准粒子群优化算法

2.1.4 标准粒子群优化算法的改进方向

2.2 改进的粒子群优化算法

2.2.1 惯性权重对SPSOA的影响

2.2.2 加速系数对SPSOA的影响

2.2.3 改进的粒子群优化算法的运算流程

2.2.4 基于经典函数算例的MPSOA验算及分析

2.3 本章小结

第3章 分数阶控制的理论基础与MATLAB实现

3.1 分数阶微积分的基本理论

3.1.1 分数阶微积分算子的定义

3.1.2 Caputo分数阶微积分的定义

3.1.3 分数阶微积分的性质

3.2 分数阶微积分算子的频域性质

3.3 分数阶微积分系统及PIλDμ控制器

3.3.1 分数阶微积分系统的数学模型

3.3.2 PIλDμ控制器

3.3.3 PIλDμ控制器的MATLAB实现

3.4 PIλDμ控制器的参数整定

3.4.1 参数λ,μ对控制器性能的影响分析

3.4.2 基于MPSOA的PIλDμ控制器设计

3.4.3 应用MPSOA参数整定效果的实验性验证

3.5 本章小结

第4章 汽-水型热交换器二次侧供水温度自动调节

4.1 VWTHE供暖工艺运行模式

4.2 VWTHE二次侧供水温度的影响因素

4.3 VWTHE自动控制模式的建立

4.3.1 VWTHE供水温度单回路控制系统

4.3.2 二次侧供水温度—一次侧蒸汽流量串级控制系统

4.4 VWTHE及其控制系统的建模

4.4.1 VWTHE二次侧供水温度对象的I\O特性

4.4.2 供水温度和蒸汽流量测量变送器的I\O特性

4.4.3 一次侧蒸汽流量执行器的I\O特性

4.4.4 供水温度PIλDμ控制器的I\O特性

4.4.5 蒸汽流量PIλ控制器的I\O特性

4.5 相关设备的选型计算

4.5.1 供暖对象的热负荷计算

4.5.2 VWTHE选型

4.5.3 一次侧蒸汽流量执行器的选型

4.6 本章小结

第5章 VWTHE分数阶串级控制系统的构建及数值模拟

5.1 VWTHE分数阶串级控制系统

5.1.1 串级控制策略综述

5.1.2 VWTHE分数阶串级控制系统运行模式

5.2 VWTHE分数阶串级控制系统的数值模拟

5.2.1 VWTHE二次侧供水温度的工艺要求

5.2.2 VWTHE分数阶串级控制系统MATLAB/Simulink组态

5.3 基于MPSOA分数阶串级控制器参数的整定及其性能分析

5.3.1 基于MPSOA分数阶串级控制器参数整定的算法流程

5.3.2 分数阶串级控制器参数整定的结果与分析

5.3.3 系统稳态性能及相关分析

5.4 供水温度PIλDμ－蒸汽流量PIλ串级控制方法与其它控制策略比较

5.5 本章小结

总结与展望

内容总结

研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录