单变量过程辨识方法及内模控制的研究与应用

摘要

随着社会的发展和技术的进步，工业自动化得到了越来越多的关注。在工业生产中普遍存在耦合及时滞现象，传统的PID控制已经不适应高精度的生产要求，因此越来越多的学者开始将先进控制与智能控制应用在生产中。内模控制自提出由于其简单的控制模式和良好的控制效果在工业生产中得到了广泛的应用。该方法对于提高经济效益、降低能耗、实现卡边操作体现出良好的应用效果。
　　 本文首先学习了传统内模控制及解耦控制的基本理论，主要分析了常规解耦方法的理论解耦与物理解耦的可实现性，提出了基于稳态分析及误差分析的内模解耦方法，基于该方法设计的内模解耦控制器，有效实现了解耦的目的，同时有效继承了内模控制的鲁棒性，该方法实施简单，仿真结果表明了该方法的有效性。
　　 其次在学习NLJ、最小二乘、PSO等辨识方法的基础上，就如何提高迭代精度、增强辨识参数鲁棒性、避免陷入局部最优等问题，提出了PSO-Powell辨识算法。利用该方法对非线性模型进行了辨识，达到较好的辨识效果，同时对常见的三级搅拌釜进行了辨识仿真，依据该辨识模型得到的内模控制器，取得了良好的控制性能和控制精度。
　　 然后针常规辨识方法对初值非稳态、终值非稳态、响应不充分、存在噪声、存在扰动等响应不规范情况下，难以准确得到辨识模型，本文利用内模原理，基于PSO-Powell方法得到了比较准确的模型参数。仿真结果验证了该方法的有效性。
　　 最后结合工业生产实际，将IMC-PID及PSO-Powell辨识方法运用在扬子、南化、燕山等装置的参数优化与整定项目中，达到了节能减排的效果，有效提高了装置的自控率，减少了工人的劳动强度，收到了良好的经济效益和社会效益。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文选题的目的和意义

1.2辨识方法的研究状况

1.3内模控制的历史和发展

1.3.1内模控制的历史

1.3.2内模控制的发展

1.4本论文完成的主要工作

第二章内模控制

2.1前言

2.2内模控制主要性质

2.3解耦相关性质

2.3.1 P规范和V规范

2.3.2主要解耦方法

2.3.3单位矩阵解耦

2.4内模控制的两步设计法

2.5内模PID控制

2.6一阶系统IMC-PID仿真实例

2.7 PSO-POWELL优化IMC-PID滤波器参数

2.7.1滤波器参数优化算法

2.7.2性能指标的设计

2.7.3仿真举例

2.8基于解耦分析和稳定分析的内模解耦控制器的设计

2.9结论

第三章PSO-Powell辨识方法

3.1粒子群算法概述

3.2 Pso-Powell

3.2.1 Powell算法原理

3.2.2 PSO-Powell求解步骤

3.2.3有效性测试

3.3系统模型参数辨识

3.3.1对象模型选取

3.3.2参数辨识结果

3.3.3效果对照

3.4辨识Hammerstein模型

3.4.1 Hammerstein非线性模型

3.4.2辨识效果

3.5小结

第四章响应不规范情况下参数辨识

4.1引言

4.2当前主要的辨识方法存在问题分析

4.2.1最小二乘

4.2.2 LJ及NLJ方法

4.2.3粒子群方法(PSO)

4.2.4 PSO-SQP方法

4.3 PSO-POWELL辨识响应不规范情况下模型参数

4.3.1辨识模型选取

4.3.2阶跃响应状态下的辨识

4.3.3白噪声状态下的辨识

4.3.4初值非稳态状态下的辨识

4.3.5终值非稳态状态下的辨识

4.3.6发散输出状态下的辨识

4.3.7输出扰动状态下的辨识

4.3.8迭代次数与性能指标关系

4.4小结

第五章IMC-PID在环己酮装置中的应用实施

5.1引言

5.2六万吨环己酮工艺介绍

5.3六万吨环己酮装置的PID参数整定方案

5.3.1传统整定方案

5.3.2 IMC-PID整定方案

5.4 IMC-PID在南化6万吨环己酮装置中的应用

5.4.1实施平台

5.4.2模型测试与参数整定

5.5 IMC-PID在6万吨环己酮装置中的应用

5.5.1装置存在的主要问题

5.5.2实施IMC-PID前后效果对比

5.6结论

第6章总结与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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