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先进控制理论在复杂工业控制系统中的应用研究

袁艳  
【摘要】: 复杂工业控制系统具有关系变量众多、过程复杂、过程不确定性因素复杂、过程关联耦合严重、过程信息的多样化等特点。因此,复杂工业控制系统难以采用常规控制方法实现建模与控制,是控制理论界和工程界中极其重要的研究对象。企业技术进步的需求和控制理论与计算机技术的快速发展,推动了先进控制理论及应用的深入研究与实践。 本文以预焙铝电解生产过程作为复杂工业控制系统的一种典型的研究对象。它是一个非线性、多变量耦合、时变和大时滞的工业过程体系,其自身内部复杂的物理化学变化、各种外界条件以及人工作业的干扰,决定了电解槽运行过程中众多参数和变量的模糊不确定性和不可连续测量性,采用基于数学模型的常规控制,甚至采取单一智能控制技术,要实现生产过程的最优控制是很难的。本文针对当前国内外研发的控制系统所存在的不足,对模糊控制、专家系统、神经网络、支持向量机和混沌理论等智能控制技术进行了深入广泛的研究,提出了采用参数预测模型和集成控制技术的设计模式,进行了有关理论基础的讨论和设计方法的研究,开发了预焙铝电解生产过程网络控制系统,研究成果已在工业现场获得成功应用。 本文的主要工作和研究成果概括如下: (1)针对预焙铝电解槽具有非线性、多变量耦合、时变、大时滞以及难以建立精确数学模型的问题,提出了基于混沌优化的神经网络建模方法,可有效提高神经网络的精度和泛化能力。建立了预焙铝电解生产过程的重要参数氧化铝浓度、电解温度和极距的预测模型,对铝电解生产过程的控制具有十分重要的意义。 (2)从理论上分析研究了模糊控制的优缺点,提出了一种将混沌优化与模糊控制算法相集成的自适应模糊控制算法,通过采用混沌粗搜索与细搜索相结合的优化方法,对量化因子、比例因子及控制规则进行在线优化,进行了算法的收敛性证明及模糊控制系统的稳定性分析,最后利用MATLAB软件进行了仿真研究,仿真结果表明了算法的有效性。 (3)将支持向量机应用于铝电解槽槽况解析与槽况诊断专家系统中,提出了一种基于多支持向量机决策模型的专家系统的结构,论述了系统的基本原理,该系统具备包括病槽诊断在内的槽况解析、槽况诊断、控制决策和参数优化的功能。 (4)设计了铝电解生产过程先进控制系统的总体结构,利用先进控制理论和集成控制的思想,在广泛收集专家控制经验与知识的基础上,提出了极距的NN-PID控制策略、电解温度的基于混沌优化的模糊控制策略及氧化铝浓度的专家模糊控制策略。 (5)针对有关参数的优化控制和产量质量能耗优化控制,提出了基于模糊专家控制技术的智能协调策略,以满足全局优化的控制目标。 (6)从理论分析和技术实现两方面对网络控制系统进行了研究,给出了网络控制系统的定义,论述了它们的特点和优点。进行了基于先进控制理论的预焙铝电解生产过程网络控制系统的设计与研究,分析了网络时延和丢包问题对网络控制系统稳定性的影响,研究了系统的稳定性条件,完成了系统的拓扑结构设计、硬件设计与软件设计。 最后,在总结全文的基础上,对未来的研究课题提出了展望。


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