一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，在控制对象中，板式换热器整体的传热系数被当做常数，根据冷凝板和热板的非稳态过程的能量平衡方程构建系统模型。针对系统存在的纯滞后环节，引入Smith预估器进行时滞补偿，预估器存在反馈通道中，在消除时滞影响后利用预测控制方法进行控制器设计。在预测控制算法中，为了避免复杂约束问题下系统控制量最优解的求解，采用灰狼优化算法对结果进行寻优。本发明专利技术的方法对板式换热器的出口温度实施精确控制，解决了系统中纯滞后带来的不利影响，提高了整个系统的性能。

A grey wolf predictive control method for time delay of plate heat exchanger

【技术实现步骤摘要】
一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法
本专利技术涉及热能设备温度控制技术，特别涉及一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法。
技术介绍
换热器是一种能量交换传递的设备，对于能源的有效回收与再利用起到了巨大的作用。板式结构的换热器由一系列波纹状的金属片叠装而成，是一种新型高效的热交换设备。这种设计方式具有高效传热和结构紧凑的优点。目前板式换热器越来越多地应用于化工、石油、能源、制冷等工业领域。板式换热器的结构比较简单，由一系列具有波纹表面的薄金属平行压紧而成，金属换热板片按照一定顺序排列，在相邻两板片之间组成流体区域，冷、热流体在各自的流道内流动，通过板片进行换热。其余组成部分还包括密封胶塾、固定活动压紧板、夹紧螺柱、夹紧螺母、上导杆、下导杆、前支柱等。板式换热器主体零部件品种少、通用性高，是任何换热器所不能比拟的。换热器作为工业实现热量传递的主要设备，本身表现出一定的非线性、纯滞后、约束性等特性。在此类的控制系统中，大部分控制对象都表示成具有纯滞后的一阶或者二阶惯性环节。针对此类带有时滞的受控系统，Smith预估补偿控制，最优控制，动态矩阵控制等控制方法被应用到控制系统中去，后来随着控制理论的发展，预测控制，滑模控制，神经网络控制等现代控制理论方法也开始应用到时滞控制中，但效果都不理想。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种超调量小、响应速度快、控制稳定的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法。技术方案：本专利技术提供一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，包括如下步骤：(1)板式换热器建模；(2)Smith预估器时滞补偿；(3)基于Smith预估器的灰狼模型预测控制计算和优化；(4)仿真验证。进一步地，所述步骤(1)中板式换热器建模方法为：板式换热器的数学模型依据换热过程的非稳态能量平衡方程建立，在冷凝板与热凝板的能量平衡方程中，换热系数被视为常数，经过拉式变换后，将板式换热器的时滞因素等效为延迟环节e-τs，得到板式换热器的传递函数式：式中，传递函数式的输入、输出分别为热液体质量流率mh(s)，冷凝板出口温度Tco(s)，k是比例系数，μ是时间常数。进一步地，所述传递函数式通过添加一阶滞后环节来反映滞后特性。进一步地，所述步骤(2)中Smith预估器时滞补偿方法为：针对板式换热器存在的时间滞后，Smith预估器利用在反馈回路中添加的补偿模块将滞后环节移出系统控制通道。进一步地，所述Smith预估器对于板式换热器时滞的估计与实际时滞大小一致。进一步地，所述步骤(3)中基于Smith预估器的灰狼模型预测控制计算和优化方法为：模型预测控制对于非线性，含时滞的板式换热器具有较强的鲁棒性，但当预测控制器的预测时域小于板式换热器时滞时，预测模型对板式换热器未来的预测输出仍然存在滞后，因此利用Smith预估器先进行时滞补偿，再进行预测控制器设计；在预测控制器的滚动优化中，利用灰狼优化算法进行控制量的实时优化，在每次控制步长中，灰狼优化算法按照种群初始化、猎物寻找、确定最优个体步骤优化求解，将控制量实施后再进行下一步控制量的求解，完成迭代过程。进一步地，所述预测模型为不含时滞环节。进一步地，所述优化方法为：(1)给定系统初始值，将初始控制量分别传递给实际系统模型以及预测模型；(2)在反馈通道中，系统实际模型与预测模型输出在经过预估补偿器模块后，将时滞影响移除，得到超前预测的系统输出值；(3)超前预测的系统输出值与系统指令输出信号比较，得到输出误差值后，传递给控制器模块；(4)控制器模块中的灰狼优化算法根据适应度值大小，优化出当前最优控制序列，并将第一个控制量实施到系统当前步骤；(5)重复2-4步骤，滚动地优化出系统的控制量，直到系统达到指令输出并稳定。进一步地，所述步骤(4)中仿真验证方法为：在MATLAB仿真平台上，基于所述板式换热器模型，进行验证。本专利技术方法的工作原理阐述如下：本专利技术方法涉及Smith预估器模块，预测模型模块，预测控制器模块，受控系统模块(板式换热器)。在系统初始响应时刻，预测模型模块和受控系统模块同时引入控制量，然后将输出值传递给Smith预估器模块。Smith预估器模块将时滞因素消除后，预测控制器模块接收不含时滞系统的输出值，利用当前信息开始实时优化，给出当前步骤的控制量。有益效果：本专利技术方法对于板式换热器实现闭环控制，反馈通道的预估器对时滞进行补偿，使得控制通道不受时滞的影响。在控制器优化中，灰狼优化算法被用来求解控制律，提高了求解精度与速度。仿真最大限度的避免了时滞给系统带来的不利影响，让板式换热器出口温度很快的达到预期值。具有超调量小、响应速度快、控制稳定等优势。附图说明图1为本专利技术涉及的Smith预估补偿器原理图；图2为本专利技术涉及的基于Smith预估补偿器的控制系统原理图；图3为本专利技术涉及的预测控制(MPC)结构原理图；图4为本专利技术的基于Smith预估器的灰狼预测控制原理图；图5为本专利技术实施例中灰狼优化算法原理图；图6为本专利技术实施例中板式换热器温度响应图；图7为本专利技术实施例中板式换热器控制量曲线图。具体实施方式图1为本专利技术涉及的的Smith预估器原理图。其中，受控系统的传递函数为W0(s)，补偿器的传递函数为Wm(s)，由结构图可知系统输出为Cm(s)＝M(s)(W0(s)+Wm(s))，当受控系统包含时滞时，W0(s)＝G0(s)e-τs，则此刻系统输出Cm(s)＝M(s)[G0(s)e-τs+Wm(s)]。由于补偿的目的是消除纯滞后对调节过程的影响，则满足：Cm(s)＝M(s)G0(s)。故补偿器的结构为：Wm(s)＝G0(s)[1-eτs]。按照上述补偿原则，控制系统的结构框图如图2所示，其中R(s)为温度指令信号，M(s)为控制信号，C(s)为系统输出信号，GC(s)为控制器，G0(s)e-τs为板式换热器模型，G0(s)(1-e-τs)为Smith预估器模块，G0(s)为不含时滞的系统模型。原理图中的+、-号表示各通道信号的加减。针对上述图2控制结构，在控制器部分利用预测控制思想设计控制器。预测控制是基于系统特征模型在一定控制作用下得到系统未来的动态预测值，并且通过系统当前时刻的实际值来纠正上述的动态预测值。在此基础上考虑系统各种约束和性能要求，滚动的求解满足控制系统所需要的最优控制解。一般情况下，预测控制可以概括为三个要素和一个参考轨迹。三个要素分别是：反馈校正(在线校正)、滚动优化(优化计算)和预测模型。其中，考虑到预测模型与实际模型之间存在建模误差，反馈矫正环节将系统的实际输出与预测模型输出值进行比较，得到预测误差，将这一误差信息反馈到预测模型输出上使得其更接近实际输出。在Smith预估器的基础上，若将控制器部分选择为预测控制器，则预测控制器接受信号为指令信号与预估器输出之差，此时预测模型与实际模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)板式换热器建模；(2)Smith预估器时滞补偿；(3)基于Smith预估器的灰狼模型预测控制计算和优化；(4)仿真验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)板式换热器建模；(2)Smith预估器时滞补偿；(3)基于Smith预估器的灰狼模型预测控制计算和优化；(4)仿真验证。


2.根据权利要求1所述的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中板式换热器建模方法为：
板式换热器的数学模型依据换热过程的非稳态能量平衡方程建立，在冷凝板与热凝板的能量平衡方程中，换热系数被视为常数，经过拉式变换后，将板式换热器的时滞因素等效为延迟环节e-τs，得到板式换热器的传递函数式：



式中，传递函数式的输入、输出分别为热液体质量流率mh(s)，冷凝板出口温度Tco(s)，k是比例系数，μ是时间常数。


3.根据权利要求2所述的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：所述传递函数式通过添加一阶滞后环节来反映滞后特性。


4.根据权利要求1所述的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中Smith预估器时滞补偿方法为：针对板式换热器存在的时间滞后，Smith预估器利用在反馈回路中添加的补偿模块将滞后环节移出系统控制通道。


5.根据权利要求4所述的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：所述Smith预估器对于板式换热器时滞的估计与实际时滞大小一致。


6.根据权利要求1所述的针对板式换热器时滞的灰狼预测控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中基于Smith预估...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖玲斐，徐敏，刘佩松，阮祝鑫，孟中祥，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32