两个典型工业对象的建模与控制方法研究

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1、厦门大学博士学位论文两个典型工业对象的建模与控制方法研究姓名：周笋申请学位级别：博士专业：系统工程指导教师：吉国力201105摘要摘要很多工业过程都带有明显的非线性特征，这使得这类过程的建模和控制比较困难，这个问题也一直是学术界和工业界关心的热点。建立有效实用的过程模型，是先进控制技术应用的瓶颈。本文针对两个典型非线性工业对象进行了建模与控制方法的研究。丙烯酸酯共聚物树脂(AcrylateCopolymerResin，ACR)聚合釜和燃煤循环流化床(CirculatingFluidizedBed，CFB)锅炉都是典型的工业过程，都具有强非线性、参数时变、工况时变、机理

2、复杂、大滞后等特点。本文针对这两个工业对象，分别进行了机理建模与辨识建模，研究了ACR聚合釜机理模型，提出了相应的混合智能控制方法；辨识出工业循环流化床锅炉在高低负荷不同工作点的模型，建立了基于线性权重、三次样条权重和高斯权重的线性变参数(LinearPararoeterVarying，LPV)模型；研究了关于循环流化床的非线性模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)方法，进行仿真分析，此外还进行了现场投入的测试。论文主要工作有：(1)建立ACR聚合釜的机理模型。ACR生产的核心设备是乳液聚合反应釜。由于涉及聚合反应动力学与热力学等多方面的

3、困难，乳液聚合反应的建模在目前还没有成法可循。我们根据乳液聚合在反应机理上的特点，并结合实验室尺度测得的数据推断聚合速率变化规律，建立了ACR反应釜动态模型，实验数据表明该模型能够反映聚合釜温度系统的主要规律。(2)给出ACR聚合釜的智能控制方案。提出一种包括智能预估器和模糊控制器的混合智能控制方案。分别在系统参数非时变和时变两种情形下验证该控制方案的性能，并与其它三种可能的替代控制方案进行了比较分析。结果表明即使在参数时变的情形下，混合智能控制方案也能够达到更好的性能和鲁棒性。(3)循环流化床锅炉的辨识建模。循环流化床燃烧过程具有强非线性、强耦合、工况复杂等特点。论

4、文基于渐近辨识法(AsymptoticMethod，ASYM)，采用多变量系统辨识的步骤，进行了实验设计、参数估计、模型阶次选择和模型校验，辨识出锅炉在高负荷和低负荷下的模型，以此基于线性权重、三次样条权重摘要以及高斯权重建立全局LPV模型。与实际过程输出数据比较说明所建立的三次样条权重LPV模型的拟合效果较好。(4)循环流化床锅炉的非线性MPC控制研究。提出了基于循环流化床锅炉的LPV模型的MPC控制方案，并进行了仿真，得到较满意的控制效果。另外，分别在高负荷和低负荷下基于所建立的LPV模型进行了MPC实际投运测试，这都为实现工业循环流化床锅炉在负荷变动、过程参数变

5、化的复杂工况条件下的稳定、安全、经济运行提供了前期实施经验。本文针对非线性、工况复杂、参数时变的复杂工业生产过程，以控制为目的，尝试了机理建模和辨识建模两种不同方式，并给出相应的控制方法。仿真表明所建立的模型较好地体现了系统的非线性动态特性。将所研究的MPC控制技术进行了实际现场投入的测试，为实现全面优化控制奠定了基础。关键词：聚合反应釜；Smith预估；循环流化床锅炉；LPV模型；渐近辨识法；模型预测控制ⅡAbstract——_—————————__————-_一——————_—————————————————————————————————————————————

6、———————————一Mostindustrialprocesseshavedistinctnonlinearcharacteristics，whichmakeitdifficulttocreatethemodelandtocontrolthiskindofprocess．Thisissuehasbeenmeresearchfocusinacadlemiccirclesandindustrialcirclesatalltimes．Tocreateaneffectiveandpracticalprocessmodelisthebottleneckofadvancedc

7、ontr01technologyapplication．Basedontwotypicalnonlinearindustrialplants，thisdissertationstudiestheirmodelingandcontr01approach．AcrylateCopolymerResin(ACR)polymerizationkettleandcoalcombustingcirculatingfluidizedbed(CFB)boilerarebothtypicalindustrialprocess．Bothofthemhavethechara