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改进差分进化算法及分数阶建模在管壳式换热器模型预测控制中的应用

许洋  
【摘要】:研究中主要针对传统的二阶惯性系统模型精度不高、大范围工况变化时模型失配明显的问题,提出了新的模型结构,同时对现有的优化算法进行相应的改进,使之具有更强的鲁棒性和计算效率,能够应用到在线求解非线性模型预测控制中的最优控制律,为实现相似系统的更高精度的建模奠定前期基础。本论文的主要研究内容为:对传统的优化算法—差分进化算法进行了两点改进,在MATLAB中验证了改进后的算法性能提升明显,建立了管壳式换热器的分数阶模型,并将改进差分进化算法应用到管壳式换热器的非线性模型预测控制中。在简易实验系统上采用了基于误差的变预测时域和变约束条件控制策略,实验结果表明该控制策略能够有效减少系统的振荡。1)根据热力学模型推导了管壳式换热器的分数阶模型结构,实验结果表明在阶跃响应条件下管壳式换热器的分数阶模型具有更高的精度和更好的鲁棒性,在工况变化时仍然能够保持较好的模型精度。2)本文采用非线性模型预测控制的控制方法对管壳式换热器进行控制,在寻优算法方面对原有的差分进化算法进行了改进,主要通过参数的改变达到提高算法性能的目的。3)最后,搭建了简易的实验平台,根据实验数据建立了管壳式换热器的Weiner模型,实验结果表明采用分数阶模型和改进差分进化算法后,控制精度相比于传统的二阶惯性模型有了较大的提高。4)实验过程中采用基于误差的可变预测时域和可变约束条件控制策略,预测时域和约束条件具有乒乓结构,即误差大于阈值时采用较长的预测时域和较高的输入约束阈值,误差小于阈值时采用较短的预测时域和较小的输入约束阈值,实验结果表明该方法能有效抑制系统的振荡.


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