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第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的及意义
自动控制在生产和科学技术发展过程中起着重要的作用。自动化控制水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中的电厂生产过程的热工自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进性和企业现代化的重要标志。对热工自动控制的先进控制应用进行深入研究，不仅具有很高的学术研究价值，而且具有显著的经济效益和深远的社会效益。自动控制理论从 20 世纪 30 年代到 70 年代经历了经典控制理论阶段和现代控制理论阶段，前者以单输入单输出控制系统为主，后者多输入多输出控制系统为主。两种控制理论的发展和应用均是基于数学模型的自动控制系统领域，为了人类生产力的发展和社会的进步发挥了巨大作用。然而，随着科学技术不断的发展与被控对象的复杂化，对于很多具有大范围多参数时变、大滞后以及具有严重非线性和强耦合的系统，即使有电子计算机技术为基础，也很难精确地建立数学模型，也就无法应用现代控制理论达到满意的控制效果，因此先进的控制理论不断地被研究与应用。模型预测控制作为一种实用性很强的先进控制策略，是上世纪 70 年代中后期在欧美工业领域内出现的，由 Richalet 和 Cutler[1]首先提出的。模型预测控制是直接在工业过程中产生的基于模型计算的控制算法，不是由某种统一理论的研究发展而来的，具有很好的控制效果、较强的抗干扰性、鲁棒性强等优点。预测函数控制是由 Rlehalet 和 Kunt 等人在 80 年代中后期提出[2,3]，它被称为第三代模型预测控制，它除了具有模型预测控制的基本特征，而且通过对控制输入的结构化，降低算法的在线计算量，而且因为控制速度快，已成功应用于快速系统，而后逐渐应用于慢速系统，它的广泛应用带来了相当的经济效益。
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1.2 研究现状和发展方向
作为第三代模型控制算法，预测函数控制算法是基于模型预测控制的基本原理的，即用过去时刻的实际输出和通过参考模型计算的得到的未来输出，通过最小化性能指标，计算得到当前时刻的控制量，通过滚动优化使过程输出信号能够跟踪参考轨迹。传统的预测控制算法没有考虑到控制输入的结构性质，虽然在有些系统控制中能得到较好的输出响应，但对于伴随着规律不明的控制输入系统中效果却不理想。PFC 的最大特点是结构化控制输入，即用事先选定的基函数族线性组合表示每一时刻的控制输入，然后通过在线优化计算出线性加权系数，进而算出当前的控制输入。PFC 不仅注重控制量的结构形式，解决可能出现规律不明的控制输入的问题，而且计算控制量的方程简单，能够高精度地快速跟踪，还有较强的鲁棒性。近年来，PFC 控制理论经过不断地完善和发展，已在很多领域中得到成功的应用。
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第 2 章 预测函数的基本原理
预测函数控制(PFC)作为第三代模型预测控制算法，是由 Rlehalet 和 Kunt等人在 80 年代中后期提出的。因为预测函数仍属于预测控制的范畴，所以具有一般预测控制的预测模型、滚动优化和反馈矫正的三项基本原理。除此之外，它的独特性在于结构化控制输入，把每时刻加入的控制输入用若干事先选定的基函数的线性组合表示。
2.1 预测函数的基本原理
基函数的选择是根据被控对象的性质以及参考轨迹的要求进行的，基函数决定着 PFC 的控制精度。基函数一般采用阶跃、斜坡、三角、指数函数等形式。当设定值在预测时域内为恒定值或者变化率小于等于某一阙值时，控制输入只需采用一个基函数，一般采用阶跃响应函数。当设定值在被控时域内为斜坡形式或者变化率大于某一阙值时，控制输入需要采用两个基函数，一般采用阶跃函数与斜坡函数的加权形式。
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2.2 本章总结
本章先以离散状态方程为模型，介绍了单变量 PFC 控制算法的具体原理，然后，在算法原理的基础上分析了算法的稳定性和鲁棒性，最后对算法参数的选择影响因素进行了分析，对参数的具体选择划定了范围。因为离散状态方程和传递函数之间是可以相互转换的，所以算法可以适用于一般的单变量的被控对象。
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第 3 章 单变量预测函数控制算法研究........12
3.1 带时滞的 PFC 控制 .........12
3.1.1 带时滞的 PFC 控制算法原理 .......12
3.1.2 带时滞对象的 PFC 仿真应用 ........13
3.2 一类非自衡被控对象的 PFC 控制 ..........15
3.2.1 非自衡被控对象的 PFC 控制的原理 ....15
3.2.2 非自衡被控对象的 PFC 的应用 ....19
3.3 本章总结 ..........22
第 4 章 多变量 PFC 控制算法研究.......24
4.1 基于状态空间模型的多变量 PFC 算法原理 ..........24
4.2 PFC 在单元机组协调控制中的仿真研究 ........27
4.3 本章小结 ..........39
第 5 章 结论和展望.......40
第 4 章 多变量 PFC 控制算法研究
随着工业的发展，生产规模越来越大，生产过程中存在很多多变量系统。因此多变量控制在工业中具有极其重要的意义。自六十年代以来，多变量过程控制理论不断深入发展，并且很多研究成果己经成功的应用于实践，模型预测控制是其研究的一个热点。模型预测控制属于计算机控制算法，是 20 世纪 70年代直接从工业过程控制中产生的，具有算法简单，在线计算方便，鲁棒性强等优点，不依赖于精确数字模型且适用于比较复杂的工业生产过程中，并已广范应用于在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统。作为第三代模型预测控制的 PFC 控制，在多变量控制理论中有了深入地发展，在多变量控制系统中有了广泛的应用。火电单元协调控制系统是火力发电过程中一个重要部分。协调控制将锅炉汽机发电机作为一个整体进行控制，是机组的最高等级运行方式。协调系统被控对象属于多变量系统。本章对多变量 PFC 算法进行研究，并应用于协调控制系统进行仿真应用。
4.1 基于状态空间模型的多变量 PFC 算法原理
基于多输入多输出的状态空间模型的 PFC 控制方法由 Spyros Tzafestas 等人于 IEEE 上发表，实验证明了此方法的可信性、可靠性[35]。本章将从基函数、参考轨迹、预测模型、反馈矫正及滚动优化等方面介绍多变量 PFC 算法的原理。单元机组主控系统是整个协调控制系统的核心，由负荷指令管理中心和机炉协调控制系统两部分组成[38]。协调控制系统接受电网调度中心调度指令或操作员指令，结合汽轮机的 DEH 频差信号反馈，生成实际负荷指令。机炉调节控制系统是按照实际负荷指令与实发功率信号偏差以及主蒸汽压力偏差，进行控制运算，分别产生锅炉指令和汽轮机指令。机炉子控制系统是由汽轮机控制系统、燃料控制系统、风量控制系统和给水量控制系统组成，它们分别接受汽轮机指令和锅炉指令，然后协调动作，完成控制任务。单元机组协调控制的任务主要是维持这两种平衡关系，整体上维持发电机组与外部电网之间能量供求的平衡关系；内部是维持锅炉和汽轮发电机之间能量供求的平衡关系，具体包括以下几个方面[39]：（1）机组并网运行时，保证机组对负荷具有较高的适应性，输出功率尽快满足电网对机组的要求。（2）协调锅炉和汽轮机之间的能量供求关系，使锅炉输入能量与机组输出功率相适应。（3）维持运行参数在允许的范围内，保证机组运行安全。（4）调动机组内部各子系统协同工作，保证机组良好的运行。
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结论
随着科技的发展，在热工生产过程中，自动化水平的要求越来越高，因而对先进控制理论的研究也越来越多。预测函数控制算法作为模型算法的一种，也是在工业生产过程中发展起来的，有很强的实际应用价值。预测函数控制的特点一是对控制输入的结构化，避免了规律不明的输入对控制的影响；二是不需要精确的数学模型，可以基于多种模型进行应用；三是反应速度快，稳定性和鲁棒性好，所以具有很强的研究价值。本文主要从以下几部分对预测函数控制算法进行了研究与应用。第一部分：学习和研究了基于离散状态方程为模型的单变量预测函数控制算法原理，并基于算法的表达式分析算法的稳定性和鲁棒性，还对算法的参数的选择对被控对象的动态特性的影响和选取的范围进行了分析。第二部分：此部分分为两小部分，一部分推导出了带时滞的预测函数控制算法，并以某直流锅炉的中间点焓值的控制为被控对象，进行仿真应用，验证了方法的可行性和分析了控制品质；另一部分推导出了基于 FIR 模型的预测函数控制算法，并以某汽包锅炉给水的控制为被控对象，对给水扰动和蒸汽扰动下的汽包水位进行仿真应用，验证了方法的可行性和分析了控制品质。第三部分：学习和推导了基于离散状态方程的多变量预测函数控制算法原理，并对单元机组协调控制系统进行了简单介绍，分析了其动态特性，选定被控对象，提出了两种控制方法，一种是对其应用带前馈的预测函数控制，通过Matlab 仿真，验证了方法的可行性，分析了控制品质；另一种是先用解耦的方法对被控对象进行解耦，然后再对解耦后的被控对象整体上应用预测函数控制算法，通过仿真应用，验证了方法的可行性，分析了控制品质。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
