三角区间软约束模型预测控制及其在水泥回转窑中的应用

摘要

水泥工业是目前我国市场重要的工业之一，其核心设备是水泥回转窑，其性能直接关系到水泥产量与质量。本课题以新型干法水泥回转窑煅烧系统为研究对象，系统地研究了水泥回转窑变量间的关系，结合工业过程的实际特点，针对现有模型预测控制算法的缺陷，从水泥回转窑的工艺研究入手进行机理分析，提出了基于三角区间软约束的线型预测控制算法和基于三角软约束的非线性预测控制算法。具体研究工作如下：
　　首先，研究预测控制算法的基本原理，将预测控制算法分为线性模型预测控制算法和非线性模型预测控制算法，并分别对其常用方法进行了研究和学习，通过对比分析选择线性动态矩阵控制与基于组合模型的非线性预测控制作为研究基础。
　　其次，针对线性MPC算法，建立了一种基于三角区间软约束的线型预测控制算法。从工业过程实际需要出发，根据所设置的容忍区间及理想目标值确定三角区间，从而实现优先将CV控制在三角区间中，再对CV进行动态优化，逐步将CV控制到理想的目标值。该算法也同时增加了系统的自由度，保证了鲁棒性。
　　然后，根据工业过程实际工作明显的非线性特征和复杂的工作流程，设计出基于三角软约束的非线性系统预测控制算法。在预测时域内自定义CV的约束上下限，然后对自定义约束进行软化处理，构成三角软约束，将其加入到目标函数中进行优化求解，让预测输出在未来的一段时间内趋向于设定值，实现对程序的有效控制。
　　最后，研究了水泥回转窑的工作机理，选择合适的控制参数，利用实际测得的数据进行模型的辨识，构造BP-ARX组合模型作为预测模型，设计三角软约束构造模型预测控制器，通过智能专家控制系统在该水泥回转窑上进行模型预测控制器的实验研究，验证本文算法的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 主要研究内容及组织结构安排

第2章 模型预测控制算法研究基础

2.1 引言

2.2 模型预测控制简介

2.3 线型模型预测控制算法研究基础

2.4 非线性模型预测控制算法研究基础

2.5 本章小结

第3章 基于三角区间软约束的线型预测控制算法

3.1 引言

3.2 三角区间软约束模型预测控制算法

3.3 三角区间软约束MPC算法的鲁棒性性能分析

3.4 仿真及分析

3.5 本章小结

第4章 基于三角软约束的非线性预测控制算法

4.1 引言

4.2 三角软约束非线性模型预测控制算法

4.3 仿真及分析

4.4 本章小结

第5章 针对水泥回转窑系统的预测控制实验研究

5.1 引言

5.2 水泥回转窑生产工艺研究

5.3 水泥回转窑控制策略研究

5.4 水泥回转窑控制实验验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢