基于数据驱动的焦炉集气过程滑模控制方法及应用研究-博士.PDF

博士学位论文公示材料 学生姓名 翁永鹏 学号 1210325 二级学科 控制理论与控制工程 导师姓名 高宪文 论文题目 基于数据驱动的焦炉集气过程滑模控制方法及应用研究 论文关键词 焦炉；集气过程；集气管压力；数据驱动控制；滑模控制；扩张状态观测器； 解耦控制；前馈控制；不可测量扰动 论文摘要(中文) 焦炉集气系统在炼焦生产过程中占据着重要的地位。通过集气过程有效回收利用荒煤气，不仅节 约能源，而且降低环境污染，是钢铁生产的重要环节。焦炉集气管压力是焦炉集气过程中的重要参数， 它的稳定与否直接影响着焦炭和煤气质量、设备寿命以及生产环境。因此，研究焦炉集气过程的控制 问题对钢铁工业生产有着重要的意义。 焦炉集气过程是一个高度复杂的工业生产过程，具有强耦合、非线性、时变、大扰动、难以建立 数学模型等特性，因此采用传统的控制方法很难达到理想的控制效果。针对焦炉集气管压力这一控制 难题，本文提出一种基于数据驱动的滑模解耦控制策略，为有效解决焦炉集气管压力的控制问题提供 一种有效的途径。论文的研究成果主要包括下述五个方面： （1）针对焦炉集气过程机理复杂，耦合因素多，荒煤气流量不可测量的问题，提出了一种新型混 合非线性动态数学模型。不同于已有的线性焦炉集气管压力模型，本文所建立的模型同时包括集气管 压力系统（Gas Collector Pressure System, GCPS ）和鼓风机回收冷却系统（Blast Blower Recovery and Cooling System, BBRCS ）。首先，运用机理建模方法处理GCPS 中的扰动、非线性和输入耦合；其次， 采用神经网络建模方法应对BBRCS 的复杂机理过程；然后，利用Runge-Kutta 方法联合所建立的两个 模型，进而分析两个系统之间的输出耦合特性；最后，结合焦炉集气过程的动态特性对所建立的模型 进行了数值仿真与分析，仿真结果表明焦炉集气过程是一个复杂的强耦合、时变、大扰动的非放射非 线性系统，很难建立其精确的数学模型或者标称模型。 （2 ）针对焦炉集气过程由于具有时变、耦合、大扰动、模型未知而导致难以控制的问题，提出了 一种基于数据驱动滑模面的自适应二阶滑模解耦控制（Data-Driven Sliding Surface Based Adaptive Second-Order Sliding Mode Decoupling Control, DSS-SSMDC）方法。首先，运用非参数动态线性化动态 技术（Non-Parametric Dynamic Linearization Technique, NDLT ）和扩张状态观测器（Extended State Observer, ESO ），设计了一种新型用以建立期望轨迹和控制输入之间关系的数据驱动滑模面；其次，基 于所建立的滑模面，进一步提出了一种自适应二阶滑模解耦控制律以处理耦合、不确定性以及外部扰 动对系统的影响。理论分析表明闭环系统的状态在所提方法的作用下是渐进稳定的；最后，本小节给 出了焦炉集气过程的数值仿真实例以验证所提方法的有效性。 （3 ）在考虑焦炉集气过程可测量输入扰动以及现有PI 控制器的情况下，进一步提出了一种混合变 结构PI 控制（Hybrid Variable Structure PI Control, HVSPIC ）方法。在数据驱动滑模变结构控制（Sliding —1— Mode Control, SMC ）技术的框架下，该方法同时包括了PI 控制、解耦控制以及前馈控制。首先，PI 控制器用于稳定集气管压力；其次，运用扩张状态观测器以辅助解耦控制器的设计；再次，引入前馈 控制信号进行前馈控制器的设计，以抑制来自鼓风机的扰动。由于引入SMC 技术，保证了控制系统的 鲁棒性，并且继承了已有PI 控制技术的优势。同时，整个闭环控制系统的渐进稳定性也能够在理论上 得以保证；最后，仿真结果表明该方法对于带有耦合、时变以及扰动等特性的焦炉集气过程具有较好 的跟踪性能。 （4 ）考虑到焦炉集气过程的测量扰动，已有方法很难在其存在的情况下进行稳定性分析的问题， 提出了一种数据驱动鲁棒输出跟踪控制（Data-