基于模糊的混杂系统多模型无扰切换控制

作     者：杨小华 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈为胜

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：混杂切换模型 汽轮机系统 多模型切换控制 无扰切换 模糊控制 

摘      要：随着现代工业过程对自动化程度和工业过程控制精度要求的提高,我们所面临的系统更加复杂。具体表现在有些系统已无法仅由单一连续时间动态过程或离散事件过程完整描述,而混杂系统可以较好的描述该过程,因此混杂系统得到了控制领域的极大关注,但由于混杂系统涉及领域较广目前还没有统一的模型描述,所以对其控制方法的研究也只能针对我们所研究的问题展开。鉴于此,本文主要从工程应用的角度出发以混杂系统切换系统建模理论为基础研究了可以完整描述系统动态特性的混杂切换系统模型,并研究了当系统因工况发生变化或大的输入扰动时如何确保系统模型切换瞬间系统控制量无扰的系统控制问题。为了能够有效的解决上述问题,本文采用了多模型无扰切换控制方法,重点研究了系统局部子模型切换瞬间系统局部子控制器之间的无扰切换算法,以确保系统在模型切换瞬间系统的控制量无扰,并将上述控制算法应用于火电厂汽轮机系统的控制中。本文主要的工作可以简要概括如下:1)针对工程应用中系统因工况发生变化或大的输入扰动导致系统模型发生切换瞬间引起的系统控制器输出大扰动问题,本文采用了多模型无扰切换控制作为其控制策略。且由于工程应用中多采用简单的PID控制器对系统进行控制,除此之外,系统在单一工况下的动态特性也较为简单,所以本文为了可以得到更适用于解决工程应用中遇到的问题,系统的局部子控制器采用了模糊PI控制器,其通过模糊控制器的输出动态调整PI控制器的参数弥补了常规PI控制器参数值固定的缺陷可以更好的响应当前工况下系统的变化。并研究了两种以多模型切换控制理论为基础的控制器之间的无扰切换算法,一种是基于引入积分器逐渐消除跟踪控制器与有效控制器输出偏差值的渐进跟踪无扰切换算法,另一种是基于实时求解跟踪控制器积分初值且在跟踪控制器切换为有效控制器时停止计算积分初值并保持为切换前一时刻积分初值不变的实时跟踪无扰切换算法。2)以某火电厂350MW机组汽轮机系统为应用对象,通过分析汽轮机系统的动态特性发现汽轮机系统具有典型的混杂特性。具体表现为其在冲转升速工况、并网发电工况和孤岛运行工况下的系统转速/负荷模型结构有较大的区别,故本文首先基于机理建模的方法分别建立得到这三种典型工况下的模型,然后基于混杂系统切换系统建模理论结合给定的时间常值切换信号得到汽轮机系统的转速/负荷混杂切换模型。且由于汽轮机系统的蒸汽功率模型结构是适用于全工况范围的,其反映了汽轮机调节阀开度及主蒸汽压力对汽轮机系统做功能力的影响,故依据机理建模方法建立得到,最后在Matlab/Simulink仿真平台上对所建模型进行动态特性仿真分析。3)在上述已建好的汽轮机系统模型中验证本文设计的两种基于多模型切换控制理论的跟踪无扰切换算法的控制效果。首先分别设计汽轮机系统在三种典型工况下的模糊PI控制器将其与常规PI控制器在这三种典型工况下的控制效果对比,然后以不考虑汽轮机调节阀部分与考虑调节阀部分两种情况对本文设计的两种基于多模型切换控制理论的跟踪无扰切换算法的控制效果做仿真验证,最后分别将系统在这两种跟踪无扰切换算法下的控制效果与系统未加无扰切换算法时的控制效果做比较,仿真结果表明本文设计的两种基于多模型切换控制理论的跟踪无扰切换算法均可实现系统模型切换瞬间系统控制量无扰。