基于WinCC和Matlab的预测控制器设计

主要研究新型预测函数控制算法的工业应用,从而解决工业实际中大滞后对象控制的难题.首先,对传统PID控制和预测函数控制进行了仿真比较,得出预测函数控制算法的优势;其次,用WinCC软件实现数据采集和算法运算,并开发了人机界面.利用Matlalb实现预测函数控制算法的参数运算是实现预测函数控制工程化的一个有效途径.     

广义预测PID控制

根据广义预测控制(Generalized Predictive Control,简写GPC)与PID控制控制律结构的相似性,通过对广义预测控制性能指标函数中控制加权序列Qj(z-1)的配置给定,导出了具有PID算法结构的广义预测控制律.从而借助广义预测控制算法参数的递推关系链,自动优化整定PID调节参数,并实施广义预测PD控制.     

冷轧机机架间张力预测函数控制器的设计

由于常规PID控制器的参数往往针对一种情况进行整定,很难保持冷连轧张力始终处于一个好的控制状态。在分析了张力控制原理的基础上,应用预测函数控制设计了辊缝式调张法张力控制系统,用预测函数控制,其控制量计算方程简单,实时控制计算量小,达到了张力控制的精度要求,仿真结果证明了该控制器显著提高了系统的动态响应性能,其控制效果优于常规PID控制器。     

基于预瞄距离的地下矿用铰接车路径跟踪预测控制

矿用车辆无人驾驶是实现矿山无人化开采的关键技术, 而路径跟踪控制是无人驾驶系统的核心技术之一.路径跟踪控制系统是多变量、多约束系统, 采用传统方法在多约束条件下存在执行器饱和等问题.针对上述问题, 本文引入模型预测控制方法, 通过考虑车辆的姿态与位置之间的关系, 以跟踪路径的横向偏差最小化和车辆的航向角偏差最小化为目标对预测控制的目标函数进行优化, 以获得车辆速度和铰接角度的最优控制量, 实现对多变量、多约束系统的求解.针对模型预测控制算法不能提前判断道路曲率突变而导致跟踪超调的问题, 提出基于预瞄距离的控制方法, 通过提前判断道路突变信息, 提高车辆路径跟踪精确性和稳定性.使用Matlab/Adams仿真软件进行对比仿真试验, 结果表明: 使用模型预测跟踪控制器能够解决多变量、多约束系统控制问题, 有效防止执行器饱和; 而使用基于预瞄距离的模型预测跟踪控制器能够使车辆的横向位置偏差保持在±0.04 m, 航向角偏差保持在±1.8°范围内, 相较于改进前的控制器, 其横向位置偏差减少了80.9%, 航向角偏差减少了59.1%, 证明改进后的控制器具有更好的横向稳定性和精确性.      

预测控制理论综述

研究多种用于预测控制的方法,包括模型预测控制、动态矩阵控制、鲁棒预测控制以及设计和分析预测控制系统的内部模型控制.经过比较后认为模型预测控制适用于渐进稳定的线性过程,但在实施中需要注意若干问题,例如:稳态余差问题、脉冲响应系数长度N的选择等.动态矩阵控制算法比较简单,计算量少,鲁棒性较强,适用于纯滞后、开环渐进稳定的非最小相位系统.     

一种新型的预测功能控制算法

预测功能控制(Predietive Functional Control,PFC)算法是模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)算法中的一种.它适合用来控制快速过程,并能使它快速无延迟地到达目标或设定点.本文将PFC算法扩展应用到线性离散系统差分方程模型,文中将详细介绍这种新型的PFC算法,即线性差分方程预测功能控制LDE-PFC(Linear Difference E-quation,PFC)算法.LDE-PFC算法主要由四部分组成线性差分方程,输出预测,参考轨迹和控制作用计算.基于预测控制目标函数,LDE-PFC算法就是要让预测输出尽可能接近参考轨迹,同时能尽量快速平滑地到达设定点.为了证明LDE-PFC算法的有效性,在Matlab/Simulink平台上研究和仿真了LDE-PFC算法在离散系统中的应用.仿真结果表明,LDE-PFC算法能快速无延迟地跟踪不同类型的快速变化的设定点.     

转炉炉气分析技术在本钢的初步应用

结合本钢炉气分析在线系统,建立了应用物料平衡原理预测碳含量及根据反应平衡原理预测温度变化的转炉动态模型.模型预测结果表明:熔池中的碳含量是炉气流量及CO和CO2分压的函数,其中初始碳含量的准确程度对模型的最终预测结果影响最大.熔池温度是碳含量及炉气中CO和CO2分压的函数,其中吹炼过程的平稳性是模型最终预测结果准确获得的保证.并应用本模型对1 530炉次的历史炉气数据进行了离线分析与终点检测结果的比较,收到预期效果.     

基于积分型Lyapunov函数的随机非线性系统的自适应控制

针对一类带有未知虚拟控制增益的随机严格反馈非线性系统,基于后推设计,引入积分型Lyapunov函数,并利用神经网络的逼近能力,提出了一种自适应神经网络控制方案.与现有研究结果相比,放宽了对控制系统的要求,取消了对于未知函数的限制条件.通过Lyapunov方法证明了闭环系统的所有误差信号依概率有界.仿真结果验证了所给控制方案的有效性.      

四辊CVC冷带轧机板形预测控制研究

针对某1420mm冷连轧机第1机架板形闭环控制系统,客观存在带钢运行速度慢(时滞严重)、轧制力不稳定、轧辊磨损严重和来料带钢板廓波动剧烈等因素,目前在线使用的PID控制算法难以满足进一步提高板带轧机板形控制精度的要求.为实现其精确控制,应用模型预测控制(MPC)理论,设计预测控制器,并采用滚动优化、反馈校正的控制策略.构造状态预测观测器,使闭环系统的时滞项移至系统闭环结构之外,从而使其优化控制规律完全可按无时滞系统进行设计.仿真研究结果表明该方法远比目前带钢生产中广为采用的PID控制策略优越,系统的响应快,超调小,鲁棒性强.     

Hammerstein-Wiener非线性系统的模糊预测控制

针对输入和输出受约束的Hammerstein-Wiener型非线性系统,提出一种基于T-s模糊模型的非线性预测控制算法,并用Lyapunov函数分析系统稳定性.通过建立T-S模糊模型,将预测控制器设计中的非线性优化问题转化为相应的线性优化问题;通过离线设计状态反馈控制律,在线实施符合条件的反馈控制律,极大程度地提高了在线计算效率,仿真验证了该方法的有效性.     

基于函数型数字孪生模型的转炉炼钢终点碳控制技术

由于转炉冶炼过程中的热力学和动力学反应复杂，副枪控制模型和传统的烟气分析模型存在很大的局限性，导致了转炉冶炼终点碳含量的预测精度偏低，是实现智能炼钢的主要技术瓶颈. 针对上述问题，提出了基于烟气分析的炼钢过程函数型数字孪生模型. 首先，利用烟气分析得到连续监测的实时数据，以此来实时监控转炉熔池内钢水的碳氧反应状态; 然后，根据熔池反应所处的不同阶段，利用函数型数据分析方法建立吹炼前期和吹炼后期的函数型预测模型; 在此基础上，按照吹炼前期和吹炼后期这两个阶段来分别自动修正模型中的系数函数，从而能在复杂的实际工况条件下完成对熔池碳含量的准确预测. 通过260 t氧气转炉的工业应用实例，证实函数型数字孪生模型具有良好的自学习和自适应能力，对异常冶炼状态具有良好的鲁棒性，可以实现全过程的熔池碳含量动态预测，终点碳质量分数在± 0. 02% 范围内的命中率为95%. 利用函数型数字孪生模型在拉碳阶段对钢水中碳含量的预测值来控制终吹点. 更为重要的是，在保证入炉原料成分、温度、质量等参数稳定的前提下，采用该模型可以有望取消基于副枪的停吹取样步骤，从而降低生产成本，提高产品质量和生产效率，具有广泛的工业应用前景.      

基于神经网络与粒子群优化算法的82B钢工艺条件的优化研究

针对82B钢生产的数学模型不稳定、优化函数难以建立的问题,首先利用神经网络对这个复杂系统进行建模,然后利用建模得到的抗拉强度、延伸率和断面收缩率去确定粒子群优化算法(PSO)的适应度函数,进而得到82B钢生产时的最佳工艺条件.仿真结果表明,粒子群算法预测精度高、收敛速度快,可以有效地解决82B钢的优化问题.     

宝钢条钢加热炉燃烧模型计算机控制系统

介绍宝山钢铁股份有限公司新建条钢步进式加热炉燃烧控制模型的计算机控制系统.加热炉是保证加热物料的加热质量、节约燃料能耗和确保后继工序物料供给的一个重要生产工序.步进式加热炉一般多应用在热轧生产线,此次宝钢前次在条钢生产线新建大方坯步进式加热炉.文中针对条钢加热炉的特殊工艺要求,着重描述加热炉控制模型中的特殊控制部分,包括:加热制度、热跟踪模型、控制模型细分段控制、待轧控制、结合调度模型预测加热时间及模糊逻辑控制等.宝钢条钢加热炉燃烧控制模型的计算机控制系统稳定运行至今,预测计算和模型控制结果令人满意.     

基于改进广义预测控制的带钢厚度优化控制策略

为提高冷轧机出口带钢厚度控制精度,提出了一种改进的广义预测控制(improved generalized predictive control, IGPC)算法。首先,根据冷轧机反馈控制双闭环系统模型,确定传递函数;然后,提出了IGPC,并给出了考虑时滞的预测模型和目标优化函数。最后,对IGPC控制器优化AGC(automatic gauge control)系统进行仿真研究。研究结果表明,与Smith-AGC和GPC-AGC相比,IGPC控制器有效地缓解了由时滞引起的出口带钢厚度控制超调和震荡现象,且在系统参数失配情况下,具有较好的动态特性和系统稳定性。     

感应电能传输系统能量注入控制方法研究

针对感应电能传输系统的输出控制,利用原边逆变电路的能量注入模式及自由谐振模式,提出一种基于双工作模式切换的能量注入调节方法.该方法建立了谐振网络能量函数以刻画系统中能量平衡关系,并以能量注入、能量储存及能量耗散三者关系,提出了基于能量注入占空比的系统控制策略.该控制方法从能量角度实现控制,有效地避免了该非线性系统的复杂建模及控制设计过程,实验结果验证了该方法的有效性.     

六脉波双变量交交变频调速系统的Matlab仿真

双变量控制原理是指在单变量控制原理的基础上,加入对脉冲宽度β的控制,可以实现交交变频器的自然无环流控制.文章介绍了双变量控制原理的基本概念,并对六脉波双变量交交变频调速系统在Matlab仿真软件中进行仿真研究.通过S函数编写双变量交交变频控制算法,并通过系统建模验证双变量控制理论下交交变频的输出效果.结果表明:双变量控制算法在交交变频器自然无环流控制中具有较好的控制效果.该控制算法可以广泛应用于冶金、煤炭、军事等国民生产的各行各业.     

轧机液压伺服系统多模型切换自适应反步控制

针对轧机液压伺服系统工作过程中弹性负载力和外负载力的跳变,基于公共Lyapunov函数方法和自适应反步控制方法,提出了一种多模型切换自适应反步控制策略.该方法结合自适应反步控制的特点和公共Lyapunov函数的设计要求,通过反步法设计了各子系统的状态反馈控制器和不确定上界参数的自适应估计器,取反步法的Lyapunov函数作为公共Lyapunov函数,保证了系统在任意切换下的渐近稳定.自适应反步法和公共Lyapunov函数方法的结合,便于公共Lyapunov函数的求取,又解决了同时存在参数跳变和参数慢时变的问题.仿真结果表明,该方法能够保证轧机液压伺服系统具有良好的动静态性能,并对参数跳变和参数慢时变具有较强鲁棒性.      

板坯镰刀弯检测系统在CSP生产线的开发和应用

介绍CSP生产线上为了监控和改善镰刀弯对轧制的影响,自行开发的板坯镰刀弯检测系统,运用该系统对板坯镰刀弯进行预测和控制,效果良好,达到控制要求.     

基于安全传输策略的网络化预测控制系统设计

为确保网络控制系统中传输数据的完整性、实时性、机密性和可用性,提高系统对抗数据攻击的能力,提出了一种基于MD5散列码、时间戳和AES加密算法的数据安全传输策略,该策略兼顾了系统中控制器端和被控对象端数据传输的安全性和实时性.并从控制策略的角度出发,考虑在系统遭受到数据攻击后,采用基于网络回路时延的网络预测控制方法对数据攻击进行补偿,使系统在受到一定强度的数据攻击后仍然能够进行稳定的控制,从而提高网络控制系统应对攻击的能力.采用S100-1实训平台管道压力控制系统验证了基于安全传输策略的网络化预测控制系统有较好的安全性和抗数据攻击能力.      

预测反馈法控制高维离散混沌系统研究

针对离散混沌系统的研究,大多数集中于理论分析和数值计算,而实验方面的研究较少.为此,利用电子线路实验实现了三阶超混沌离散系统和二阶Henon映象混沌系统以及预测反馈法控制混沌和超混沌.从理论上分析了控制混沌和超混沌系统所需的条件,并通过实验进行了验证,实验结果与理论分析结果符合得很好.