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基于输入输出线性化的连续系统非线性模型预测控制

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控制理论与应用 2012年第2期29卷 217-224页

作者：孔小兵刘向杰华北电力大学控制与计算工程学院北京102206

非线性约束预测控制关键是求得可行性优化解.输入输出反馈线性化是非线性控制一种常用的方法,其系统的初始线性输入约束转化成非线性基于状态的约束,因而无法采用常规的二次规划(QP)求解优化问题.针对连续状态空间模型系统,本文提出迭... 详细信息

非线性约束预测控制关键是求得可行性优化解.输入输出反馈线性化是非线性控制一种常用的方法,其系统的初始线性输入约束转化成非线性基于状态的约束,因而无法采用常规的二次规划(QP)求解优化问题.针对连续状态空间模型系统,本文提出迭代二次规划方法来寻求非线性优化解.为了保证算法的收敛性,系统加入另外一种迭代算法来保证其在整个预测时域上能得到可行解.仿真控制结果表明了该方法的有效性.

关键词：非线性预测控制连续系统输入输出反馈线性化

电力工业复杂系统模型预测控制——现状与发展

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中国电机工程学报 2013年第5期33卷 79-85+14页

作者：刘向杰孔小兵新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)

模型预测控制是一种优化控制算法,其突出优点在于控制算法嵌入显式过程模型并且直接考虑被控过程的输入、状态和输出的约束条件,近年来成为电力工业复杂系统研究的热点。该文全面综述了模型预测控制在电力生产过程和电力系统自动发电控... 详细信息

模型预测控制是一种优化控制算法,其突出优点在于控制算法嵌入显式过程模型并且直接考虑被控过程的输入、状态和输出的约束条件,近年来成为电力工业复杂系统研究的热点。该文全面综述了模型预测控制在电力生产过程和电力系统自动发电控制中的应用现状。在电力生产过程控制中,模型预测控制可实现子系统的节能控制,也可实现机炉协调控制以满足约束条件下跟踪负荷需求。监督预测控制可实现厂级优化控制。在电力系统自动发电控制中,模型预测控制可满足发电机变化率约束,减少机组疲劳和磨损,符合CPS标准。最后阐述了理论与应用方面有待进一步研究的几个主要问题。

关键词：模型预测控制电力生产过程电厂控制负荷频率控制

集装箱船纵骨端部焊趾处表面裂纹应力强度因子计算

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中国造船 2016年第2期57卷 67-77页

作者：孔小兵黄小平罗盼上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

纵骨端部是集装箱船疲劳强度校核的关键节点。采用有限元软件ANSYS模拟纵骨端部焊趾处的表面裂纹,提出了考虑裂纹深度与板厚比a/B、裂纹的形状比a/c、裂纹长度与扶强材两侧焊缝焊趾间的长度比2c/L及扶强材宽度d影响的纵骨端部焊趾处表... 详细信息

纵骨端部是集装箱船疲劳强度校核的关键节点。采用有限元软件ANSYS模拟纵骨端部焊趾处的表面裂纹,提出了考虑裂纹深度与板厚比a/B、裂纹的形状比a/c、裂纹长度与扶强材两侧焊缝焊趾间的长度比2c/L及扶强材宽度d影响的纵骨端部焊趾处表面裂纹应力强度因子计算的基本经验公式。各种纵骨端部节点形式多样,对所有节点形式进行归类,分析各类节点形式的特点及其对应力强度因子的影响。各类节点焊趾处表面裂纹的应力强度因子可通过在基本经验公式上增加相应的修正项得到,可以为集装箱船纵骨端部的疲劳强度校核提供参考。

关键词：纵骨端部表面裂纹应力强度因子集装箱船

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永磁同步电机高效非线性模型预测控制

自动化学报 2014年第9期40卷 1958-1966页

作者：孔小兵刘向杰华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206

永磁电机控制器要求电机有很强的转速跟踪能力,并且要保证系统参数变化及负荷扰动下系统的鲁棒性.永磁电机包含很多不确定因素,是强耦合的非线性系统,传统的线性控制器很难对其进行控制.针对永磁电机的转速控制构造非线性模型预测控制方... 详细信息

永磁电机控制器要求电机有很强的转速跟踪能力,并且要保证系统参数变化及负荷扰动下系统的鲁棒性.永磁电机包含很多不确定因素,是强耦合的非线性系统,传统的线性控制器很难对其进行控制.针对永磁电机的转速控制构造非线性模型预测控制方法.非线性永磁电机模型通过输入-输出反馈线性化策略解耦成为新的线性系统.为保证可行解的收敛性,提出一种迭代二次规划方法来处理由输入-输出反馈线性化导致的非线性约束.仿真结果表明,控制器能有效降低计算负担,具有很好的动态控制性能,能抑制转矩脉动,并保证在参数变化和负荷扰动下控制系统的鲁棒性.

关键词：永磁同步电机模型预测控制输入-输出反馈线性化非线性转速控制

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超超临界机组主汽温分布式监督预测控制

上海交通大学学报 2017年第10期51卷 1252-1259页

作者：孔小兵范昌刘向杰华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206 山东核电有限公司山东海阳265116

针对超超临界直流锅炉主汽温控制系统,提出一种基于模糊神经网络模型的分布式监督预测控制(DSPC)策略.在各子系统原有的调节层结构的基础上,增加监督层,将中间点温度和各级过热器出口温度设定值的调整问题转化为在线优化问题.子系统监... 详细信息

针对超超临界直流锅炉主汽温控制系统,提出一种基于模糊神经网络模型的分布式监督预测控制(DSPC)策略.在各子系统原有的调节层结构的基础上,增加监督层,将中间点温度和各级过热器出口温度设定值的调整问题转化为在线优化问题.子系统监督层目标函数考虑相关联子系统的性能指标,通过相邻子系统监督层的信息交换和迭代优化,实现各级子系统的协同配合.针对负荷扰动情况进行仿真实验,结果验证了所提出方法的有效性.

关键词：超超临界机组主汽温控制分布式监督预测控制

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锅炉–汽轮机系统的模糊经济模型预测控制

控制理论与应用 2018年第3期35卷 308-316页

作者：崔靖涵刘向杰孔小兵华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

现代电厂的优化控制通常采用双层控制结构,上层通过优化经济性能指标获得稳态设定值,传递到下层实现设定值跟踪.然而,传统的控制结构往往会忽略动态跟踪过程中的经济性能.本文针对锅炉–汽轮机系统设计了基于模糊模型的经济模型预测控... 详细信息

现代电厂的优化控制通常采用双层控制结构,上层通过优化经济性能指标获得稳态设定值,传递到下层实现设定值跟踪.然而,传统的控制结构往往会忽略动态跟踪过程中的经济性能.本文针对锅炉–汽轮机系统设计了基于模糊模型的经济模型预测控制策略.通过离线设计稳定的线性反馈控制律和可行域,来保证优化问题的递推可行性和稳定性.通过在线求解双模态经济模型预测控制优化问题,实现锅炉汽轮机系统动态过程中经济性能的提高.大范围和小范围负荷变化情况下的仿真结果表明了本文提出的模糊经济模型预测控制的有效性.

关键词：经济模型预测控制模糊模型锅炉–汽轮机系统稳定性可行性

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连续非线性模型预测控制的研究与应用

连续非线性模型预测控制的研究与应用

作者：孔小兵华北电力大学（北京）

学位级别：硕士

实际的工业过程中,大部分都具有带约束,非线性的动态特性,采用传统控制方法难以实施有效控制。带约束非线性预测控制的关键是求可行优化解。一般来说,非线性预测控制可以通过序列二次规划在每个采样时刻在线优化。最常用的序列二次规划(... 详细信息

实际的工业过程中,大部分都具有带约束,非线性的动态特性,采用传统控制方法难以实施有效控制。带约束非线性预测控制的关键是求可行优化解。一般来说,非线性预测控制可以通过序列二次规划在每个采样时刻在线优化。最常用的序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,简称SQP)方法是到目前为止大家认为处理非线性规划问题最优秀的算法之一,该算法通过将原问题转化为一系列二次规划子问题的求解来获得原问题的最优解在非线性控制问题中。所得的非线性优化问题是非凸的,在线计算负担相当大。最简单的方法是近似优化方法,只把实际作用于对象的第一步控制量确切计算,其余不直接作用于对象的未来控制序列进行近似。输入输出反馈线性化是一种常用的方法。在预测控制中,针对某类型非线性系统,通过输入输出反馈线性化,系统线性化,只需线性二次规划就可进行在线优化。但是,初始线性输入约束转化成非线性基于状态的约束。本文针对一类仿射型非线性状态空间模型系统,提出迭代二次规划(QP)方法来求优化解。为了保证算法的收敛性,要加入另外一种迭代算法来保证在整个预测时域上能得到可行控制解。在数字例子,CSTR化学例子及多变量的三态Boost DC/DC转换器控制例子的仿真控制结果中可以看出这种方法很有效。鉴于实际对象多为多输入多输出对象,我们将此方法推广到多变量系统。

关键词：非线性预测控制连续系统输入输出反馈线性化

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超大型集装箱船典型节点疲劳裂纹扩展评估

超大型集装箱船典型节点疲劳裂纹扩展评估

作者：孔小兵上海交通大学

学位级别：硕士

超大型集装箱船有大开口、方型系数小、剖面变化显著以及高航速等特点,随着装箱数不断提高,为保证结构总纵强度,高强度钢超厚板被广泛应用到集装箱船的上甲板附近。相对于普通钢,高强度钢在屈服强度有所提高,但它们抗疲劳、抗腐蚀的能... 详细信息

超大型集装箱船有大开口、方型系数小、剖面变化显著以及高航速等特点,随着装箱数不断提高,为保证结构总纵强度,高强度钢超厚板被广泛应用到集装箱船的上甲板附近。相对于普通钢,高强度钢在屈服强度有所提高,但它们抗疲劳、抗腐蚀的能力并没有相应地提高,在纵向骨材连接处以及舱口角隅等位置出现较大的循环交变载荷,疲劳强度是评估超大型集装箱船结构性能的重要方面。准确预报超大型集装箱船典型节点的疲劳寿命意义重大,在工程应用中,通常采用基于线性累积损伤和S-N曲线法校核结构的疲劳强度。但是,集装箱船上的高强度钢屈服强度达到460 N/mm2,超出S-N曲线法的适用范围,继续使用传统方法的评估结果显然依据不足。基于裂纹扩展理论的疲劳分析方法在理论上更合理且能得到实测结果的检验,受到了越来越多的重视,但要将该方法应用到工程实际还有很多问题需要解决。本文将基于裂纹扩展理论的疲劳评估方法应用到超大型集装箱船典型节点的疲劳强度评估,主要研究内容如下:（1）介绍了研究背景和研究意义,论述了国内外超大型集装箱船疲劳强度研究、应力强度因子研究、波浪载荷计算研究的现状和成果。着重介绍了课题组提出的单一曲线模型,总结了当前船舶行业中广泛认可的应力强度因子计算的经验公式,阐述对超大型集装箱船进行裂纹扩展研究的重要意义。（2）为避免在PATRAN整船或舱段模型疲劳热点区域采用三维实体单元建模,提出了一种计算波浪外载荷下船海结构物复杂结构裂纹应力强度因子的方法,并通过与广泛认可的经验公式对比验证了该方法的准确性。（3）在有限元软件ANSYS中建立带三维表面裂纹的纵骨端部模型,基于一个公式提出了集装箱船纵骨端部焊趾处表面裂纹应力强度因子计算的经验公式。将CCS疲劳规范中纵骨端部节点的形式进行合理的归类,分析各类节点形式的特点及其对于应力强度因子的影响,提出相应的修正公式。（4）采用船舶水动力计算软件WALCS预报了某集装箱船的运动响应和波浪压力,将波浪压力映射到船体表面,采用中国船级社疲劳强度指南中相关的规定细化船中底边舱折角的有限元网格,预报该节点的热点应力响应。计算了波浪载荷下该船底边舱折角的应力强度因子并总结该类节点应力强度因子计算的无量纲经验公式。最后,对该节点处一表面裂纹进行了扩展预报。（5）采用有限元软件模拟挪威船级社所做肘板扭转应力场中的裂纹扩展实验,预报结果与实验的结果进行比较。将该方法应用到某集装箱船机舱前舱口角隅,计算了该位置圆弧型角隅和负半径角隅处裂纹的应力强度因子并拟合得到无量纲的经验公式,基于谱分析法构建疲劳载荷谱,采用了单一曲线模型进行裂纹扩展计算和失效评定。

关键词：超大型集装箱船纵骨端部舱口角隅折角型节点单一曲线模型波浪载荷

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核电站蒸汽发生器水位的软约束预测控制

自动化学报 2019年第6期45卷 1111-1121页

作者：姜頔刘向杰孔小兵华北电力大学控制与计算机工程学院

核电站的蒸汽发生器(U-tube steam generator, UTSG)水位控制对核反应堆安全运行至关重要.模型预测控制(Model predictive control, MPC)具有内在的约束处理能力,是UTSG水位控制的有效方法.然而在大范围变功率情况下,水位硬约束会降低... 详细信息

核电站的蒸汽发生器(U-tube steam generator, UTSG)水位控制对核反应堆安全运行至关重要.模型预测控制(Model predictive control, MPC)具有内在的约束处理能力,是UTSG水位控制的有效方法.然而在大范围变功率情况下,水位硬约束会降低水位的控制性能,甚至导致系统不稳定.本文基于UTSG的分段线性输入输出模型,设计了水位软约束MPC.离线计算终端约束集,减少在线计算量,保证稳定性;引入两种松弛变量来放宽水位约束和终端约束集;在蒸汽流量扰动和功率变化情况下的仿真结果表明了算法的有效性.

关键词：模型预测控制软约束蒸汽发生器非最小相位系统