氣化爐控制系統(tǒng)設計的隨機方法項目摘要

氣化爐具有非線性、多變量耦合和難以精確建模的特點，因此在模型參數(shù)不確定條件下設計與整定氣化爐控制器，滿足穩(wěn)定性、魯棒性、動態(tài)性能和適應性等方面的要求，至關重要。在深入研究氣化爐系統(tǒng)動態(tài)特性的基礎上, 以數(shù)理統(tǒng)計學為工具研究多變量控制器和自抗擾控制器設計問題。包括計算控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能魯棒性，分析控制器設計算法的收斂性問題，提出多變量控制器和自抗擾控制器的隨機優(yōu)化算法和參數(shù)整定規(guī)則；進行氣化爐控制系統(tǒng)設計和動態(tài)仿真，驗證動態(tài)響應、魯棒性和抗外擾性能。該項研究對探索復雜熱力過程――氣化爐的控制策略，完善熱力過程控制系統(tǒng)的隨機設計理論，具有重要的意義。

氣化爐具有非線性、多變量耦合和難以精確建模的特點，因此在模型參數(shù)不確定條件下設計與整定氣化爐控制器，滿足穩(wěn)定性、魯棒性、動態(tài)性能和適應性等方面的要求，至關重要。在深入研究氣化爐系統(tǒng)動態(tài)特性的基礎上, 以數(shù)理統(tǒng)計學為工具研究多變量控制器和自抗擾控制器設計問題。包括計算控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能魯棒性，分析控制器設計算法的收斂性問題，提出多變量控制器和自抗擾控制器的隨機優(yōu)化算法和參數(shù)整定規(guī)則；進行氣化爐控制系統(tǒng)設計和動態(tài)仿真，驗證動態(tài)響應、魯棒性和抗外擾性能。該項研究對探索復雜熱力過程――氣化爐的控制策略，完善熱力過程控制系統(tǒng)的隨機設計理論，具有重要的意義。

專利榮譽

2021年6月24日，《一種氣化爐燒嘴及其使用方法、含其的氣化爐》獲得第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎。

空溫式氣化爐空溫式氣化爐特點

大幅度降低基建、供熱、供電、消防等方面的投資。

無須運行成本，操作、保養(yǎng)簡單，大幅度降低了管理費用。

設備關鍵部件采用先進國家的進口產(chǎn)品。

空溫式氣化爐空溫式氣化爐技術特性

工作溫度：5-45℃；

設計壓力：1.76MPa；

工作壓力：0.15MPa；

強度試驗壓力：2.4MPa；

氣密性試驗壓力：1.76MPa；

安全閥開啟壓力：0.6MPa。

隨機振動通常要用概率論的方法描述。概率反映隨機事件出現(xiàn)可能性的大小。將隨機事件的結果用數(shù)量描述，就得出隨機變量的概念，因為它描述隨機變量的發(fā)展過程，故又稱隨機過程，而隨機振動只是隨機過程的一類實例。

假設在一定條件下重復某個隨機試驗（如汽車道路試驗），得到系統(tǒng)響應（如司機座的鉛垂加速度）的一系列時變歷程記錄（見圖）。其中每個記錄

都可看作一個樣本，而大量樣本構成一個集合，記為X（t），用它代表這一隨機過程。

對于隨機現(xiàn)象，人們感興趣的往往不是各個樣本本身，而是從這些樣本總體得出的統(tǒng)計特性。例如，以隨機函數(shù)X在瞬時t取值不大于x的概率，可定義一維概率分布函數(shù)：

并由此導出一維概率密度函數(shù)：

類似地，可定義多維概率分布與密度函數(shù)。從隨機函數(shù)的概率密度函數(shù)又可確定各種數(shù)字特征；例如，各次矩可以定義如下：

記號E{ }表述集合平均?？梢钥闯?，一次矩即隨機函數(shù)的平均值

二次矩即均方值

而二次中心矩

稱為方差，它的平方根

常稱為標準差。平均值反映過程的總傾向；均方值往往與平均能量相聯(lián)系；方差則可用來表征隨機變量分散程度。

平均特性可區(qū)分為集合平均和時間平均。前者是對集合求平均，后者是對單個樣本來求的。根據(jù)統(tǒng)計特性是否隨采樣時間原點的選取而變化，隨機過程可分為非平穩(wěn)過程和平穩(wěn)過程。根據(jù)集合平均特性是否等同于時間平均特性，隨機過程又可分為遍歷的和非遍歷的。遍歷的隨機過程一定是平穩(wěn)的；反之則不一定。

在各種平均特性中，最重要的是相關函數(shù)和功率譜密度。一個隨機振動又可以看作大量數(shù)目的具有隨機振幅與相位的諧和振動之和。它的總功率就等于各個諧和分量的功率之和。人們感興趣的是找出這種功率如何按頻率分布。平穩(wěn)隨機函數(shù)

X的自相關函數(shù)

定義為乘積

的集合平均值。它是時延

可得到功率譜密度（簡稱自譜）的概率，它恰好描述隨機過程的平均功率按頻率的分布規(guī)律。按定義有：

由逆諧和變換，得：

當

由此可見，

正是X關于頻率f的均方譜密度.

實用上，常用功率譜的形狀作為隨機過程的標志，例如在隨機振動試驗中，各種基準譜都是按譜形來規(guī)定的。人們按譜形將偏于兩個極端的情況分為稱為窄帶過程和寬帶過程。窄帶過程是指它的功率譜具有尖峰特性，并只有在尖峰附近的一個窄帶內(nèi)才取有意義的量級。典型的例子是隨機信號通過窄帶濾波器后所得的結果。相反地，寬帶過程的功率譜在相當寬（帶寬至少與其中心頻率有相同的數(shù)量級）的頻帶上取有意義的量級。最極端的情形是白噪聲，它的譜密度是均勻的并有無限的帶寬。白噪聲只是一種數(shù)學抽象，因為在無限的帶寬上都有有限的功率意味著有無限的總功率。不過，當隨機激勵的頻帶足夠?qū)挘灾聦⑾到y(tǒng)所有的固有頻率覆蓋無遺時，把該激勵視為白噪聲是可取得，這樣做數(shù)學上便于處理。

自相關和自譜是從同一個隨機過程得到的統(tǒng)計特性，類似地可以定義兩個不同隨機過程X和Y之間的互相關函數(shù)

與互譜

從互譜還可定義相干函數(shù)：

互譜和相干函數(shù)在實驗確定系統(tǒng)頻率特性以及確定振源和振動傳遞路徑方面有獨特的作用。

隨機過程中的一類特別重要的過程，稱為正態(tài)過程，亦稱高斯過程。平穩(wěn)正態(tài)過程的一維概率密度函數(shù)可表示為：

正態(tài)過程有以下特點：許多自然現(xiàn)象可以用正態(tài)過程近似地描述；正態(tài)過程的線性變換仍然是正態(tài)過程；只需知道正態(tài)過程的一次鉅與二次鉅，就可確定概率密度。這些特點給隨機振動研究帶來很大方便。首先，隨機振動的許多激振源（如大氣湍流、海浪、路面等）都可以看作正態(tài)過程。其次，從第二點可知，對于常系數(shù)線性系統(tǒng)，當輸入是正態(tài)過程，輸出也一定是正態(tài)過程，只要確定它們的平均值和方差，就可確定它們的全部統(tǒng)計特性。