基于隐式广义预测控制算法的LNG出口压力控制系统研究

摘要

在现代工业和日常生活中LNG出口压力控制系统具有非常广泛的应用。伴随着工业的不断发展，人们对于LNG出口压力控制的要求也越来越高。然而，就工业现场的压力控制而言，是具有多变、复杂特点的过程，同时，在实际工业现场中，会有来自不同方面因素对LNG出口压力控制进行影响，再加上压力控制对象普遍具有非线性、大惯性、扰动因素多、大时滞等特点，这就会对压力控制算法提出了更高的标准和要求。
　　随着科技的发展，出现了越来越多的先进控制技术。由于它能够克服传统控制技术的不足，因此被广泛地应用到工业控制中。本文将LNG出口压力作为研究对象，通过对广义预测控制算法进行研究，在此基础上，引出了通过直接辨识控制律参数的方式，对算法进行计算，使得此控制算法的实时性更高、快速性更强，称之为隐式广义预测控制算法，并建立了基于隐式广义预测控制算法的LNG出口压力控制模型，通过MATLAB仿真对比了当前PID算法和隐式广义预测算法对于压力控制的效果，还建立了以STM32为下位机的MCU的最小系统以及必要的外围电路设计，设计了压力采集电路、比例电磁阀驱动电路，同时利用C＃和Visual Studio-2010设计了LNG出口压力控制上位机系统，方便了用户对于压力的显示和控制。论文的主要研究工作和创新点如下：
　　1.隐式广义预测控制算法的分析和研究。本文针对一般的广义预测控制算法，需要重复对Diophantine方程进行在线推导、求解，同时也要多次对矩阵进行求逆运算，这样增加了计算量，同时也使计算变得复杂；假设对系统的原模型参数进行直接辨识，同样需要重复对Diophantine方程进行在线推导、求解，若想算出控制律，必须对控制器的参数进行求解，这样也会对计算时间有所加长，系统控制的实时性也会有所降低，考虑到以上因素严重制约了广义预测控制算法的实际应用，因此本文介绍了直接辨识控制律参数E、G、S。而不用对Diophantine方程在线反复推理、求解，对于计算时间的减少具有明显的帮助，在此基础上发展了隐式广义预测控制算法。
　　2.基于隐式广义预测控制算法的LNG出口压力控制系统建模和研究。由于LNG压力控制具有时变性、不确定性、大滞后性的特点，不仅仅是控制对象的不确定性、时变性、大滞后性，同时还具有储罐容量大、较大波动的用气量、小时供气量不匀称性等特点，且在压力控制过程中，LNG会有状态的变化（液态转化为气态），因此现在用简单的PID算法已经无法达到控制的要求，利用隐式广义预测控制算法的CARIMA模型，以及将LNG压力控制抽象成一阶线性滞后环节，构建了基于隐式广义预测控制算法的LNG出口压力控制框图和隐式广义预测控制器。通过仿真发现隐式广义预测控制对于压力控制的快速性、稳定性、鲁棒性会更加完美。
　　3.LNG出口压力控制系统的硬件设计。基于隐式广义预测控制算法对本系统进行设计。在硬件上采用Cortex-M3为内核的STM32微处理器来作为嵌入式控制器的核心CPU，搭建了STM32最小系统，在此基础上，设计了RS-485通信接口电路、压力检测电路、比例电磁阀驱动电路，并采用MODBUS-RTU协议作为通信协议，为了实现各模块间的相互通信和信息传输的稳定性，在原有协议的基础上，针对本系统的需求，设计了控制协议的格式，方便上下位机信息交流。同时也方便了LNG出口压力进行实时数据显示、数据处理。
　　4.LNG出口压力控制系统的软件设计。主要运用Visual Studio-2010开发平台及C＃语言进行开发，通过参考其它控制系统设计的经验以及操作人员的使用习惯，设计了LNG出口压力控制上位机系统，其主要包括系统设置界面、退出系统界面、参数设置界面、报表参数界面、用户设置界面、设备设置界面等，实现对LNG出口压力控制系统下位机的监测、控制等功能。同时，上位机也能完成各种复杂的数据处理。

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第一章 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 LNG出口压力控制的研究现状

1.3 本文的主要研究工作和创新点

1.4 论文的结构安排

第二章 隐式广义预测控制算法

2.1 引言

2.2 广义预测控制的产生和发展

2.3 广义预测基本特征

2.4 广义预测控制的参数选择

2.5 隐式广义预测控制算法

2.6 本章小结

第三章 IGPC算法在LNG出口压力控制中的应用

3.1 引言

3.2 LNG出口压力控制系统压力控制分析

3.3 LNG出口压力控制的数学模型

3.4 仿真研究

3.5 隐式广义预测控制参数选择分析

3.6 本章小结

第四章 LNG出口压力控制系统硬件设计

4.1 引言

4.2 系统硬件组成

4.3 控制单元

4.4 硬件PCB图

4.5 STM32最小系统和外围电路的设计

4.6 通讯模块硬件的设计

4.7 压力检测模块硬件电路设计

4.8 比例电磁阀控制电路的设计

4.9 本章小结

第五章 LNG出口压力控制系统软件设计

5.1 引言

5.2 总体设计思路

5.3 通信模块

5.4 开发环境

5.5 上位机流程图

5.6 上位机软件界面参数设置流程及介绍

5.7 上位机与下位机通信协议格式

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录：攻读硕士期间参加的项目及成果