天然气长输管网优化运行控制模型的研究

【摘要】：目前，天然气管网运行优化中采用的数学模型大多是通过对管网系统稳态运行方程的线性化或者利用差分法对偏微分方程的求解获得，无法跟踪管网参数的时变影响，求解速度不能满足实时仿真的要求，并且管网优化运行方案的实施需要引入控制理论的相关方法，而控制理论的实际应用不能脱离被控对象的数学模型。因此，准确的动态特性模型对于天然气管网的运行优化具有比较重要的意义。 针对如何获取天然气管网动态运行数学模型的问题，通过对几种建模方法的比较与分析，本文提出利用系统辨识技术建立天然气长输管网的动态运行特性模型，采用仿真软件TGNET建立天然气仿真管网，设计辨识输入信号并进行动态仿真，选用最小二乘类方法进行模型的参数辨识计算，并综合最终预报误差准则等几种结构辨识方法对模型的阶次和纯时延加以确定，分别获得了仿真的单管段管线、带分支的多管段管线以及离心式压缩机的动态运行特性数学模型。 在模型辨识的过程中，针对如何选取输入输出信号最优采样间隔的问题，本文根据复平面中辨识所得模型的特征值到原点的距离判断采样间隔的合理性，利用折半查找算法，设计了一种在给定范围内寻找系统辨识中最优采样间隔的方法。该方法可在辨识对象的特征值未知的条件下得到其输入输出信号采样间隔的最优值，使辨识所得模型的输出误差最小。 在模型的应用方面，本文首先利用管网的动态模型分析了天然气仿真管线的运行调度问题，得到了相应的优化调度方案；然后采用广义预测控制方法研究了管网的优化控制，并实现了仿真管线运行调度方案的实施；最后，本文提出了一种利用管道动态模型的阶跃响应曲线定性分析管道摩阻变化趋势的方法，并通过仿真实验验证了该方法的有效性。 【关键词】：天然气管网 动态运行模型 系统辨识 采样间隔 广义预测控制
【学位授予单位】：中国石油大学（华东）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 相关领域国内外研究现状11-13
• 1.2.1 管网运行优化的研究现状11-12
• 1.2.2 模型辨识的发展与研究现状12-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-15
• 第2章 天然气管网动态运行特性建模方法研究15-27
• 2.1 天然气管道输送基本理论15-17
• 2.1.1 输气管网的基本组成15
• 2.1.2 天然气在管道中流动的基本方程15-17
• 2.2 数学模型及其建模方法17-18
• 2.3 天然气管网动态运行特性机理建模18
• 2.4 天然气管网动态运行特性模型辨识方法18-26
• 2.4.1 辨识问题的表示形式19
• 2.4.2 辨识的基本原理19-20
• 2.4.3 等价准则函数的选择20-21
• 2.4.4 辨识算法的选择21
• 2.4.5 最小二乘类算法21-24
• 2.4.6 辨识的基本步骤24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 天然气管网动态运行特性模型辨识27-42
• 3.1 单根管段管线的动态运行特性模型辨识27-33
• 3.1.1 TGNET 仿真模型27-28
• 3.1.2 模型辨识输入信号的设计28-29
• 3.1.3 模型辨识29-30
• 3.1.4 模型阶次的确定30-31
• 3.1.5 模型的检验31-33
• 3.2 复杂管网的动态特性模型辨识33-39
• 3.2.1 TGNET 仿真模型33-35
• 3.2.2 多输入多输出系统的建模35-37
• 3.2.3 模型辨识37-38
• 3.2.4 模型的检验38-39
• 3.3 离心式压缩机动态运行特性模型辨识39-41
• 3.3.1 离心式压缩机的主要控制方式39
• 3.3.2 模型辨识39-41
• 3.3.3 模型的检验41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 系统辨识中采样间隔的确定方法研究42-50
• 4.1 问题的提出42
• 4.2 采样间隔合理性的判断方法42-43
• 4.3 最优采样间隔选取方法43-45
• 4.4 给定模型的仿真研究45-49
• 4.4.1 辨识对象45-46
• 4.4.2 计算过程46-47
• 4.4.3 结果及分析47-49
• 4.5 天然气管线动态模型辨识中采样间隔的选取49
• 4.6 本章小结49-50
• 第5章 天然气管网动态特性模型的应用研究50-61
• 5.1 天然气管网的运行调度50-54
• 5.1.1 仿真管线的运行调度50-52
• 5.1.2 仿真计算过程52-54
• 5.2 天然气管网的广义预测控制54-57
• 5.2.1 广义预测控制概述54-55
• 5.2.2 天然气管网的广义预测控制55-56
• 5.2.3 仿真实验56-57
• 5.3 天然气管道的摩阻检测57-59
• 5.3.1 检测方法58-59
• 5.3.2 仿真实验59
• 5.4 本章小结59-61
• 总结与展望61-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果67-68
• 致谢68

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