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输出PDF建模与控制及其在火焰温度场中的应用
其他题名Output PDF Modeling and Control Theory and Its Application in Flame Temperature Field Distribution
孙绪彬
学位类型工学博士
导师王宏 ; 岳红
2007-05-29
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词锅炉温度场重建 输出概率密度函数控制 射流火焰 迭代学习控制 Rbf网络 预测控制 广义系统 Boiler Temperature Restructure Output Pdf Control Jet Flame Iterative Learning Control Rbf Neural Network Predictive Control Singular Systems
摘要提高锅炉的燃烧效率和稳定性对于国民经济的能源供给有着重大的意义。锅炉燃烧器处的射流温度场以及整个锅炉温度场是反映锅炉燃烧状态的重要的指标,结合目前日益成熟的火焰图像采集技术、图像处理技术和火焰温度场重建技术,有必要对温度场的建模与控制进行深入的研究。 由于燃气锅炉的然烧器喷射的火焰就是射流火焰的一种,所以本文首先建立了射流火焰温度场静态模型,并把火焰能量分布作为系统的输出。重建得到的温度场分布可以看作一种广义的的输出概率密度函数,所以可以采用输出概率密度理论进行建模与控制。 火焰能量分布是非高斯的,而输出概率密度函数控制理论正是是针对非高斯系统提出来的,但同样适用于高斯系统。由于非高斯的随机系统的输出不能用均值和方差完全表示,所以可以把系统输出的概率密度函数曲线作为系统输出,设计控制算法使得该输出概率密度函数曲线与给定的曲线形状尽可能接近。王宏教授提出该方法时首先用B样条逼近的方法建立输出概率密度函数的模型,然后建立了B样条的权值与输入之间的关系,从而实现了系统建模。 针对该射流火焰静态模型,首先采用输出分布曲线的静态建模和控制的方法实现了火焰温度场控制。然而整个锅炉的火焰温度场分布却是三维的,难于检测和重建,因此可以采用能够反映锅炉燃烧状态的截面温度场来表示锅炉的燃烧状态,得到的输出就是截面温度场的曲面。所以本文采用二维B样条模型对截面温度场进行了建模,并用静态控制算法实现了一个简单的仿真。 上述输出概率密度函数的建模均采用B样条逼近的方法,然而该方法常常需要大量样条才能满足建模的要求,从而导致了建立的模型阶数过高,使得系统辨识不容易实现。为了解决这一问题,本文又引入了高斯形式的RBF基函数,该类基函数由两个参数控制基函数的形状,可以明显减少建模的阶次。采用高斯形式的基函数实现的控制系统与B样条形式基函数的系统相比控制参数更容易调节。 然而,有些工业过程往往是重复或循环的过程,这样的过程要求控制器在每个周期结束后通过调节模型参数或控制器参数实现提高控制效果的目的。针对RBF高斯基函数建模的输出概率密度函数系统,实现了在每个控制周期后调节基函数的参数实现提高控制效果的目的。 本文的主要内容和创新点总结如下: 1) 建立了射流火焰温度场模型,通过火焰能量分布表示整个火焰温度场的燃烧状态。 2) 把火焰能量分布看作火焰模型的输出概率密度函数,实现了射流火焰温度场的2维静态控制。 3) 提出了通过锅炉截面温度场的控制实现对整个锅炉火焰进行调整的方法,采用2维B样条对截面温度场进行建模,并给出了3维静态控制的算法,并用一个例子进行了算法的初步验证。 4) 设计了广义状态空间模型,把基函数权值作为状态变量,提出了一个新的模型辨识算法;提出了广义预测算法,并给出了算法稳定性条件,并在考虑了传感器和执行器动态特性的动态火焰模型上得到验证。 5) 进一步研究了采用径向基函数(RBF)对火焰能量分布进行建模与控制,并与采用B样条建模的控制结果进行了比较; 6) 提出了解析方式调整RBF基函数参数的迭代学习控制算法,并对算法的收敛型进行了讨论。 7)实现了火焰能量分布迭代控制,控制的结果验证了算法的有效性。
其他摘要As the section temperature distribution is of a 2D surface, bivariable B-splines are used to modeled such a surface, where the static bivariable output PDF control method is designed for such a model and simulation results are given. In practice, dynamics of sensors and actuators must be considered, although dynamics of the flame model itself can be neglected. In this context, a 2nd order unit is added in the jet flame control system and leads the whole system with dynamics of 2nd order. Singular state space model is used in dynamic system modeling with FED as the system output. Only two weights of the B-spline basis functions are dynamically related to the control input whilst all the other weights are linear combination of the two weighted. A novel system identification method for such a singular system is developed and a new predictive control method is designed with a convergence condition. All the PDFs above are approximated by B-spline basis functions, which always need a large number of basis functions to meet the modeling requirement. As such difficulty exists in system identification. To overcome this difficulty, a Gaussian-alike RBF basis functions whose shape is determined by two parameters are introduced in PDFs approximation. Comparisons are made between B-spline and RBF basis functions in system modeling and control for the flames distribution systems. The results show that RBF basis functions can be more easily tuned and needed less basis functions than the B-splines based modelling. Since some processes need to run a series of operations repeatedly, so the parameters of the controller or the basis functions can be adjusted after each cycle so as to improve the closed loop control performance. Iterative FED control method is designed based on parameters tuning of all the Gauss-type basis functions. The main content and innovations in this thesis are listed as follows: Realization of jet flame static modeling and control by taking FED as the output PDF of jet flame temperature distribution. Development of bivariable output PDF controller by using the bivariavle B-spline to approximating the section flame field, which is designated as the boiler output to reflect the combustion states. Establishment of a singular state space model and a predictive control method. This includes the establishment of a novel singular system identification algorithm, the formulation of the convergence condition of the control system and the validation of these algorithms in a jet flame distribution control system by considering the dynamics of the sensors and actuators. The use of RBF basis fucntions to approximate the output PDF, FED in jet flame model, where comparisons have been carried out between B-spline and RBF basis functions in modeling and control. development of an iterative learning control method using analytic method so as to tune the parameters of RBF basis functions to improve the system performance.
馆藏号XWLW1137
其他标识符200418014628068
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/5985
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
孙绪彬. 输出PDF建模与控制及其在火焰温度场中的应用[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2007.
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