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基于神经网络逆系统的单元机组协调控制研究

基于神经网络逆系统的单元机组协调控制研究

作者：张玉恒东北电力大学

学位级别：硕士

作为单元机组的主控系统,有效的火电厂单元机组协调控制系统(Coordinated Control System, CCS)是提升热工自动化水平、提高电厂经济效益的关键。针对单元机组这样的多变量、非线性、大迟延、不确定性强的复杂对象,传统的协调控制系统... 详细信息

作为单元机组的主控系统,有效的火电厂单元机组协调控制系统(Coordinated Control System, CCS)是提升热工自动化水平、提高电厂经济效益的关键。针对单元机组这样的多变量、非线性、大迟延、不确定性强的复杂对象,传统的协调控制系统实际上是以牺牲系统的动态性能来保证系统稳态的解耦性能,尽管结构相对简单且易于实现,但实际运行效果并不理想。由于作为被控对象的单元机组包含着控制领域中大量的典型问题,诸如非线性、多变量、强耦合、大迟延、以及不确定干扰等等,因此成为了各种先进控制策略研究的热点对象之一。针对单元机组这一复杂的非线性MIMO系统,本文将神经网络逆系统方法这一在机器人解耦控制及多电机解耦控制领域得到广泛应用的控制策略应用于单元机组协调控制的研究中。基于Bell-Astrom模型,在证明该模型可逆的基础上,将神经网络对非线性函数的逼近能力与逆系统方法相结合,对单元机组这一多变量、强耦合的非线性系统,设计了基于神经网络α阶逆系统方法的PID复合控制器。然后在Matlab/Simulink平台下构建的Bell-Astrom模型的基础上,对神经网络α阶逆系统复合控制器的控制效果进行了研究。分别对系统的解耦效果、跟随性能、不同工况点下负荷扰动时的状态变化以及单元机组在变工况时的运行状态进行了仿真研究,实现了对单元机组模型的解耦控制。此外,文中还对不同文献中对Bell-Astrom模型相对阶求取时出现两种结果的情况进行了讨论。仿真实验表明基于该方法的单元机组协调控制器具有较强的鲁棒性和良好的应用前景,并为先进控制算法在单元机组协调控制中的应用提供了一条新的思路。

关键词：单元机组协调控制系统神经网络逆系统方法解耦

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可控串补（TCSC）控制方法的研究

可控串补（TCSC）控制方法的研究

作者：杨超南京理工大学

学位级别：硕士

论文在总结了当前可控串联补偿(TCSC)稳定控制策略与阻抗控制研究现状的基础上,对TCSC阻尼系统振荡的原理进行了分析,提出了相应的控制方法,设计了TCSC的非线性最优稳定控制器和阻抗控制器。主要内容如下: 1) 在研究模糊控制以及PID控... 详细信息

论文在总结了当前可控串联补偿(TCSC)稳定控制策略与阻抗控制研究现状的基础上,对TCSC阻尼系统振荡的原理进行了分析,提出了相应的控制方法,设计了TCSC的非线性最优稳定控制器和阻抗控制器。主要内容如下: 1) 在研究模糊控制以及PID控制基本理论的基础上,设计了TCSC的模糊自适应整定PID阻抗控制器,通过计算TCSC当前容抗的误差和误差变化率,利用模糊推理系统动态调节PID参数,从而克服了传统PID控制的不足,具有较强的鲁棒性,使控制质量提高。研究了基于模糊PID控制与bang-bang控制相结合的TCSC阻抗控制方法,可解决控制过程中快速性与稳定性之间的矛盾。 2) 结合逆系统方法和二次型最优控制理论,建立单机无穷大系统和双机系统模型,设计了TCSC非线性最优稳定控制器。 3) 根据TCSC非线性最优控制器在线计算的容抗值作为命令容抗,通过模糊PID控制器使TCSC实现该命令容抗。分别对单机无穷大系统和双机系统进行仿真,结果表明论文所设计的控制器有效地阻尼系统振荡,提高了系统的静态稳定与暂态稳定性。

关键词：可控串联补偿模糊PID 线性最优控制逆系统方法

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一类多率系统的辨识与控制

一类多率系统的辨识与控制

作者：刘兆磊中国计量学院

学位级别：硕士

摘要：频率不可比较多率系统（incomparable frequency multirate systems，简称为ICFMS）广泛存在于石油化工、通信系统、生物医学等工业领域，具有广泛的应用前景。多率系统存在两种或者两种以上的采样频率，其数学模型较传统离散系... 详细信息

摘要：频率不可比较多率系统（incomparable frequency multirate systems，简称为ICFMS）广泛存在于石油化工、通信系统、生物医学等工业领域，具有广泛的应用前景。多率系统存在两种或者两种以上的采样频率，其数学模型较传统离散系统要复杂。多率系统一般具有非线性、大噪声、强耦合等特性，难以用传统的方法进行辨识与控制。因此，多率系统辨识与控制问题的研究受到国内外学者的关注和重视。当前对ICFMS的研究很少，如何对ICFMS进行精确的辨识与有效的控制具有重要的理论意义和实用价值。鉴于此，本论文在国家自然科学基金（60905034）和浙江省自然科学基金（Y1080950）的资助下，利用基于特征的数据预处理思想、最小二乘迭代辨识原理、支持向量机逆系统方法和多模型方法，研究了ICFMS的辨识和控制问题。本文的主要研究内容如下：（1）提出了基于特征的ICFMS数据预处理方法，把一类ICFMS转化为CFMS。并通过仿真例子说明提出的数据预处理方法的有效性。（2）研究了双输出ICFMS的辨识问题。针对辨识中存在未知变量的问题，利用迭代辨识原理，用迭代估计值来代替未知中间变量，推导了相应的最小二乘迭代辨识算法，同时研究了噪声对最小二乘迭代算法辨识精度的影响。（3）研究了双输出ICFMS的解耦控制问题，提出了基于支持向量机逆系统方法的解耦控制方法。利用支持向量机在小样本情况对未知函数的学习和逼近能力来设计逆系统控制器，针对不同回路之间的耦合问题，采用逆系统方法对系统进行线性化处理来解决。（4）研究了300MW火力单元机组的解耦控制问题，设计了基于支持向量机逆系统的协调系统控制方案。针对变负荷下单元机组表现的非线性问题，设计了基于多模型和支持向量机逆系统的协调控制方案。通过仿真说明协调控制方案的有效性。

关键词：多率系统数据预处理最小二乘迭代辨识支持向量机逆系统方法解耦控制

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STATCOM控制方法及PWM策略的研究

STATCOM控制方法及PWM策略的研究

作者：王立杰江苏大学

学位级别：硕士

基于链式多电平逆变器结构的静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型无功补偿装置，它具有发出容性无功功率和吸收感性无功功率的双向补偿功能。本文研究了在平衡负荷和不平衡负荷条件下静止同步补偿器的控制方法，及适用于链式多电平逆变... 详细信息

基于链式多电平逆变器结构的静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型无功补偿装置，它具有发出容性无功功率和吸收感性无功功率的双向补偿功能。本文研究了在平衡负荷和不平衡负荷条件下静止同步补偿器的控制方法，及适用于链式多电平逆变器结构的PWM新方法。首先，本文分析了STATCOM的工作原理，建立了链式STATCOM的有功-无功电流暂态模型，通过引进多变量非线性控制逆系统方法，设计了基于逆系统方法和有功-无功电流解耦的非线性动态无功电流控制策略，设计了DSP为核心的控制系统。研究了注入零序矢量对PWM控制的影响，由此得出了适用于链式多电平逆变器结构的三角载波移相-开关频率最优PWM法(PS-SFO-PWM)。仿真结果表明，基于逆系统方法和有功-无功电流解耦的非线性动态无功电流控制具有良好的动态性能。PS-SFO-PWM法在不提高开关频率的情况下，实现了等效高频载波的效果，并提高了直流电压的利用率。本文探讨了在负荷不对称条件下的控制策略，提出了根据正序、负序电压开关值合成PWM控制的负序电流补偿方法。该方法有效地补偿了负荷的负序电流。

关键词：静止同步补偿器逆系统方法三角载波移相-开关频率最优PWM法

基于LSSVM方法的污水处理内模PID控制研究

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基于LSSVM方法的污水处理内模PID控制研究

作者：陈甫前安徽工业大学

学位级别：硕士

淡水资源的紧缺和日趋严重的水污染情况,时刻提醒着我们污水处理的必要性。曝气生物滤池(Biological Aerated Filter,BAF)作为污水处理过程中的典型工艺,具有非线性、强耦合和大滞后等特点,这些特点导致了很难建立其精确数学模型,而且... 详细信息

淡水资源的紧缺和日趋严重的水污染情况,时刻提醒着我们污水处理的必要性。曝气生物滤池(Biological Aerated Filter,BAF)作为污水处理过程中的典型工艺,具有非线性、强耦合和大滞后等特点,这些特点导致了很难建立其精确数学模型,而且现场存在着很多的外部干扰,传统的控制方法很难对其出水指标进行有效的控制。本文以BAF作为研究对象,首先,选取重要的水质参数出水化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)和出水氨氮(Ammonia Nitrogen,NH-N)浓度作为系统的输出,采用“统计产品与服务解决方案”(Statistical Product and Service Solutions,SPSS)软件基于主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)选取对选定输出影响最大的输入,作为本文研究对象的输入,最终选定进水COD和进水NH-N浓度作为系统的输入,从而将BAF系统简化成一个双输入双输出系统。其次,在研究支持向量机(Support Vector Machine,SVM)理论的基础上,提出采用最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machines,LSSVM)来辨识简化后的BAF系统,并通过遗传算法(Genetic Algorithm,GA)来优化LSSVM,从而得到简化后的BAF系统的模型,经仿真实验验证,由GA-LSSVM辨识得到的模型可以作为简化后的BAF系统的模型。然后,因为BAF系统存在耦合特性,所以采用LSSVM直接逆模型方法构建了BAF系统的α阶逆系统(LSSVM同样采用遗传算法来优化),并将α阶逆系统与原系统串联构成伪线性系统,从而解除了BAF系统的耦合特性。最后,引入内模PID控制来改善控制系统的抗干扰能力和鲁棒性,并做了相应的仿真实验,具体内容包括逆模型辨识实验、解耦实验和系统控制实验,由仿真结果可以看出,本文设计的控制策略跟踪性能好、抗干扰能力强,具有良好的适用性。本文的主要贡献在于:采用SPSS软件基于主成分分析法对BAF系统进行了简化,并通过遗传算法改进的LSSVM来对系统进行辨识和解耦,同时设计了内模PID控制方案,并仿真验证了此方案的可行性。

关键词：曝气生物滤池系统最小二乘支持向量机遗传算法逆系统方法内模PID控制

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支持向量机逆系统广义预测控制算法的研究

支持向量机逆系统广义预测控制算法的研究

作者：陈绪英武汉工程大学

学位级别：硕士

目前，在非线性系统的一般形式上，逆系统方法已经建立起了近乎完整的理论体系。该方法却要求能够获得非线性系统精确的数学模型，但是实际工程应用中的非线性关系往往难以准确描述。非线性过程的复杂数学模型即使建立起来了，又很难求... 详细信息

目前，在非线性系统的一般形式上，逆系统方法已经建立起了近乎完整的理论体系。该方法却要求能够获得非线性系统精确的数学模型，但是实际工程应用中的非线性关系往往难以准确描述。非线性过程的复杂数学模型即使建立起来了，又很难求出其逆模型的解析解。从统计学习理论发展而来的支持向量机（Support Vector Machine，SVM）有两个重要的优点：泛化能力好和结构简单。它能够精确拟合函数的特性使得非线性系统难以建模的问题变得简单。SVM的原理是：转化难解的非线性问题到一个高维特征空间中，变成那个空间的一个凸优化问题来求解，得到的即是全局最优解。但是当训练样本较多时，SVM便面临维数灾难，导致无法有效训练。最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machines，LS-SVM）克服了经典二次规划方法求解支持向量机的维数灾难问题。它具有良好的鲁棒性，运算简单，收敛速度快，因此在非线性控制方面更具有优势。因此，本文把LS-SVM优异的辨识能力与逆系统方法的线性化特性相结合。首先用LS-SVM辨识逆系统，并将该逆模型与原系统串联，对组成的伪线性系统进行控制。接着介绍了基于LS-SVM的阶逆系统方法及其在单输入单输出（single-input single-output，SISO）非线性系统的应用，并将其应用从非线性系统的SISO形式推广到多输入多输出（Multi-input Multi-output，MIMO）形式。最后用仿真实例验证了LS-SVM的辨识能力及所构成的开环系统的鲁棒性，为该方法的进一步研究和推广奠定了理论基础。为了降低逆系统方法的建模误差、提高其抗干扰能力及模型失配的鲁棒性，在逆系统方法中融入广义预测控制，提出了基于LS-SVM的阶逆系统方法的广义预测控制算法，对该复合系统组成的闭环系统进行优化控制。仿真结果证明了该改进方法不依赖受控对象的数学模型，很好地抑制了系统扰动，迅速消除了系统不确定性产生的影响，解决了多变量非线性系统的强耦合问题，改进了非线性系统的控制效果。

关键词：最小二乘支持向量机逆系统方法广义预测控制非线性系统解耦反馈线性化鲁棒性

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UPFC的控制器研究及设计

UPFC的控制器研究及设计

作者：张花芝西南交通大学

学位级别：硕士

由于我国电网结构相对薄弱且布局不合理,尤其是农村,要对我国电网进行大规模的改造是不现实的,所以FACTS技术在我国有广阔的应用前景。而统一潮流控制器(UPFC)是其中功能最强大的一种,它具有调节线路参数、维持母线节点电压、调节线路... 详细信息

由于我国电网结构相对薄弱且布局不合理,尤其是农村,要对我国电网进行大规模的改造是不现实的,所以FACTS技术在我国有广阔的应用前景。而统一潮流控制器(UPFC)是其中功能最强大的一种,它具有调节线路参数、维持母线节点电压、调节线路潮流等诸多功能,所以对UPFC的研究是具有重要意义的。本文从含UPFC的潮流计算、控制策略及其应用等方面进行研究。本文首先介绍了UPFC的基本结构、工作原理,总结了UPFC的工作方式,建立了UPFC在三相静止坐标下的动、稳态数学模型等,并在前人的基础上,详细推导一种含UPFC的潮流计算方法。论文将内模控制应用到UPFC的控制中,设计了两种新型UPFC控制器。这两种控制器所采用的解耦方法不同,一种是采用状态反馈解耦控制来分别对UPFC串、并联换流器的控制器进行设计,这种控制是首先采用状态反馈加内模控制对并联侧电流环解耦、对串联侧电流环和电压环双环解耦,然后再利用内模控制对整个控制器进行设计;另一种是采用逆系统方法解耦控制,这种控制是首先采用逆系统方法对UPFC串、并联耦合的部分进行解耦,然后再利用内模控制来设计整个控制器。借助Matlab/Simulink仿真平台,建立了UPFC仿真模型,对UPFC在不同工作模式下的仿真结果进行分析。仿真结果分析表明,论文所设计的两种UPFC控制器的性能都优于经典PI控制器的性能,采用基于内模控制的逆系统方法解耦控制设计的控制器的性能稍微优于采用基于内模控制的状态反馈解耦控制设计的控制器的性能。最后以双回线路为例来研究利用UPFC抑制电力系统的低频振荡,设计了UPFC附加阻尼控制器。该控制器运用特征值分析法来分析在不同输入信号下UPFC阻尼系统振荡的能力。这些情况主要有：第一种是以系统振荡频率作为输入信号的附加阻尼控制器,第二种是以另一条线路的有功功率作为输入信号的附加阻尼控制器,第三种是两种附加阻尼控制器的组合形式。运用PSS的原理设计了该附加阻尼控制器。运用Matlab/Simulink分别对不含UPFC、无附加阻尼控制器的UPFC和含附加阻尼控制器的UPFC三种情况进行仿真,通过仿真结果分析表明,UPFC本身具有抑制系统振荡的能力,但其能力有限,而附加阻尼控制器能够提高系统阻尼,进一步抑制系统振荡,而且以组合的附加阻尼控制器抑制能力最强。

关键词：统一潮流控制器潮流分析内模控制状态反馈逆系统方法附加阻尼控制器

EMS型中低速磁浮列车悬浮模块的解耦控制研究

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EMS型中低速磁浮列车悬浮模块的解耦控制研究

作者：郑永斌国防科学技术大学

学位级别：硕士

悬浮控制是EMS型磁浮列车的核心技术之一。目前,悬浮控制一般采用单铁控制方案,模块上的单悬浮点是磁浮列车悬浮控制的基本单元。但采用单铁控制方案无法从根本上抑制悬浮模块的内部状态耦合,模块系统内部的状态耦合问题已经成为进一步... 详细信息

悬浮控制是EMS型磁浮列车的核心技术之一。目前,悬浮控制一般采用单铁控制方案,模块上的单悬浮点是磁浮列车悬浮控制的基本单元。但采用单铁控制方案无法从根本上抑制悬浮模块的内部状态耦合,模块系统内部的状态耦合问题已经成为进一步提高悬浮系统整体性能的瓶颈。本文把悬浮模块作为一个整体,采用模块悬浮控制方案,通过设计解耦控制算法,来解决悬浮模块内部状态耦合问题和提高悬浮控制性能。论文主要包括如下内容: (1)在一系列合理抽象和假设的基础上对模块悬浮系统进行了简化,从能量的角度建立了模块悬浮系统的数学模型,简要分析了模型的精确性,并进行了模块悬浮系统开环稳定性分析和模块内部两个悬浮端点之间的状态耦合分析。 (2)在建立的数学模型基础上,基于逆系统方法对模块悬浮系统实施了解耦控制。考虑到模块悬浮系统在实际运行过程中存在未建模的动态特性、复杂的外部干扰和频繁的参数扰动等不确定性,设计了鲁棒性强的滑模解耦控制器。在实现这两种算法时,考虑到电磁铁线圈的大电感对控制信号的延迟作用,参考悬浮控制的串级控制思想,设计快速电流环加快电流响应的同时使得系统降阶;设计位置环实现解耦控制算法,使得系统按照一定的性能指标稳定悬浮在预定间隙。 (3)为实现算法构建了以DSP为运算核心、FPGA为数字逻辑核心的数字控制器硬件平台,编制了基于DSP内部的定时器中断机制运行的悬浮控制程序。 (4)通过仿真和实验,研究了本文设计的两种解耦控制方法的性能,结果表明,本文设计的两种控制方法能够解决模块悬浮系统内部的两个悬浮端点之间的耦合问题,提高悬浮控制性能。 (5)对比了本文设计的两种解耦控制器的性能,与基于逆系统的解耦控制器相比,滑模解耦控制器具有更强的鲁棒性能,更适用于磁浮列车的悬浮控制。

关键词： EMS型中低速磁浮列车悬浮模块建模解耦控制逆系统方法滑模控制

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重组大肠杆菌高密度发酵过程建模与控制

重组大肠杆菌高密度发酵过程建模与控制

作者：陈超大连理工大学

学位级别：硕士

近几年,随着各个行业对生物发酵产品需求的增加,生物发酵生产过程得到了广泛的关注。对于生物发酵过程而言,研究的焦点是如何对这一过程进行优化控制,最终提高生产产量和节约生产成本。然而生物发酵是一个时变、非线性并且具有高度耦合... 详细信息

近几年,随着各个行业对生物发酵产品需求的增加,生物发酵生产过程得到了广泛的关注。对于生物发酵过程而言,研究的焦点是如何对这一过程进行优化控制,最终提高生产产量和节约生产成本。然而生物发酵是一个时变、非线性并且具有高度耦合性的过程,内部机理非常复杂,并且其中一些重要的变量很难在线测量。这对发酵过程的建模及控制带来了难题,进而导致不能满足当今的生产需求。针对如上问题,本文通过对大肠杆菌高密度发酵生产类胶原蛋白这一过程的分析和研究,结合智能控制系统的相关算法和理论,给出了大肠杆菌高密度发酵过程的建模方法和优化控制方案。本文首先提出了通过最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法,利用其在只有有限样本数据的情况下,具有良好非线性系统逼近性的特点,对大肠杆菌发酵过程进行建模,并验证了模型的精确度;其次,同样使用LS-SVM算法与传统的逆系统方法相结合,提出LS-SVM逆系统方法。该方法首先使用LS-SVM算法拟合发酵过程逆模型,再将得到的逆系统模型与原系统模型串联构成伪线性系统,进而实现通过逆系统方法对非线性发酵系统的解耦线性化和发酵过程的线性控制;最后,为改进使用逆系统方法时系统的抗干扰能力和鲁棒性,提出基于LS-SVM逆系统方法的解耦内模控制方案。通过大量的仿真实验,验证了本文所使用的建模方法的精确性以及控制方案在不同情况下的可行性均达到了令人满意的效果。本文所提出的方法也完全适用于其他类型发酵过程,同时也可以应用于其它复杂非线系统控制领域。

关键词：高密度发酵 LS-SVM 逆系统方法内模控制