第1章緒論

1.1課題背景及意義
在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，絕大多數(shù)過(guò)程對(duì)象都是多變量系統(tǒng)。由于在被控變量之間存在著親合互聯(lián)作用，這也給控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。所以如何減小系統(tǒng)之間的相互作用對(duì)多變量系統(tǒng)的深入研究有著重要的意義。由于多變量系統(tǒng)跟單回路系統(tǒng)相比較，最大的不同就是回路之間存在著相互的關(guān)聯(lián)作用，這也就使得對(duì)其控制存在著一定的難度。針對(duì)多變量系統(tǒng)的控制問(wèn)題，雖然先進(jìn)控制方法取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中通常還是偏向采用分散控制。究其原因，分散控制的原理就是通過(guò)一定的方法將多變量系統(tǒng)劃分成為幾個(gè)獨(dú)立的、互不干擾的單回路子系統(tǒng)，從而對(duì)各單回路系統(tǒng)再分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器�？梢姺稚⒖刂朴薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、同時(shí)便于在線調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。但是分散控制也存在不可避免的缺點(diǎn)，如果多變量控制系統(tǒng)的稱合比較弱的時(shí)候，完全分散控制就足以取得很好的控制效果，滿足相應(yīng)的控制性能要求；但是當(dāng)多變量控制系統(tǒng)之間存在著較強(qiáng)的稱合作用時(shí)，完全分散控制就很難滿足所要求的高性能指標(biāo)，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至都不能使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。所以說(shuō)，完全分散控制系統(tǒng)的最終控制效果在很大程度上決定于整個(gè)被控過(guò)程的稱合程度。在分散控制不能解決的情況下，一般會(huì)考慮采用多變量控制的方法。
…….

1.2多變量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
對(duì)于實(shí)際的工業(yè)過(guò)程對(duì)象，PID控制器具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、參數(shù)容易整定，同時(shí)易于在線操作等優(yōu)點(diǎn)，一直是實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)控制中的主流方法，同時(shí)這也促使了 PID控制器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)整定等方面的發(fā)展。然而，大多數(shù)的工業(yè)過(guò)程可謂都是多變量系統(tǒng)，存在不止一個(gè)輸入和輸出，這也使得各回路之間不可避免的存在相互稱合作用�？梢姡绾卧O(shè)計(jì)控制器保證多變量系統(tǒng)的有效控制和穩(wěn)定性，，要比單變量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題復(fù)雜得多，也不易處理。針對(duì)這種情況，一般會(huì)將多變量系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為幾個(gè)互無(wú)干擾的單回路系統(tǒng)，再分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID控制器，同時(shí)將回路之間的稱合關(guān)聯(lián)作用視為外界擾動(dòng)，主要是利用簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)的方法來(lái)滿足多變量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求。這就是分散控制的主要思想，圖1-1就是最基本的分散控制器結(jié)構(gòu)。一直以來(lái)，分散控制器的設(shè)計(jì)都是控制方面的熱點(diǎn)問(wèn)題，也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展和成就。通常分散PID控制器設(shè)計(jì)方法有以下6種：1、解調(diào)因子法：首先不考慮其他回路的影響作用，主要依賴于相應(yīng)矩陣的對(duì)角元素，設(shè)計(jì)出每個(gè)控制器。再根據(jù)一些限制要求，來(lái)重新調(diào)整控制器的參數(shù)，通常是對(duì)控制器的增益乘以一個(gè)解調(diào)因子，其中典型的方法有最大對(duì)數(shù)模方法（BLT)。2、順序回路閉合法：每個(gè)回路按照一定的順序依次進(jìn)行閉合，而一般會(huì)將最快的回路作為第一個(gè)回路進(jìn)行處理[3-6]，相應(yīng)地，在之后的閉合回路設(shè)計(jì)中，就需要充分考慮各個(gè)回路之間存在的動(dòng)態(tài)稱合作用，可見直到最后一個(gè)控制器的設(shè)計(jì)，很大程度上就會(huì)依賴于之前所設(shè)計(jì)的控制器，而后面閉合回路同樣也會(huì)對(duì)前面設(shè)計(jì)的回路造成一定影響，這說(shuō)明了回路之間的先后閉合順序會(huì)直接影響到最后控制的效果和性能。3、迭代試湊方法：和順序回路閉合法相類似，首先是整定每個(gè)單回路的控制器[7，8]，在所有的回路都閉合的基礎(chǔ)上，保持所有回路的控制器不變，再依次重新調(diào)整每個(gè)控制器，直到最后他們都收斂為止，一般是利用繼電反饋試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是該方法需要的試驗(yàn)次數(shù)較多，而且該方法很大程度依賴試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。
………

第1章部分分散控制器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

2.1部分分散控制結(jié)構(gòu)形式
設(shè)計(jì)部分分散控制器，主要是基于對(duì)被控對(duì)象的非方擴(kuò)展。在選擇出合適的控制結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，將被控對(duì)象進(jìn)一步擴(kuò)展為非方對(duì)象模型，結(jié)合內(nèi)模方法和預(yù)測(cè)控制方法來(lái)設(shè)計(jì)非方分散控制器，最后根據(jù)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽畛醯牟糠址稚⒖刂破鞅磉_(dá)形式。如之前介紹，對(duì)于一個(gè)2X2的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就有如上4種結(jié)構(gòu)形式的控制器。對(duì)于一個(gè)3X3的系統(tǒng)，則有234種可能存在的控制器形式，那么對(duì)于更高階的系統(tǒng)，相應(yīng)地部分分散控制器可能存在的結(jié)構(gòu)形式就會(huì)變得更多。所以有必要在設(shè)計(jì)控制器之前，先確定出選用哪種結(jié)構(gòu)形式的部分分散控制器。
……..

2.2部分分散控制器結(jié)構(gòu)選擇方法
對(duì)于一個(gè)2X2的系統(tǒng)，雖然只有可能的4種形式的控制器，但相互之間的控制效果卻存在很大的差異。為了選出其中最合適的控制器表達(dá)形式，需要找到一種簡(jiǎn)單有效的分析方法。Lopez and Athans在1993年提出了穩(wěn)定因子分解的方法[21]。但是目前更為常用的方法是基于子系統(tǒng)能控能觀性的Gramian矩陣法[28]，采用該方法便就可以確定出所需要的部分分散控制的結(jié)構(gòu)形式，即保留原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣中的某些元素而忽略那些影響相對(duì)比較小的元素。這樣的話，最終確定的子系統(tǒng)也可以說(shuō)越接近于原系統(tǒng)，最終系統(tǒng)的控制效果也最接近于釆用多變量控制策略的效果。對(duì)于偽逆因子而言，有兩種特殊情況是要特別說(shuō)明的。當(dāng)a= 0時(shí)，部分分散控制器就可以簡(jiǎn)化為完全分散控制器；當(dāng)a=1時(shí)，是只有一個(gè)輸出是可控的，那么這種情況下就會(huì)在設(shè)定值響應(yīng)上引起一定的抵消。在部分分散控制器的設(shè)計(jì)上，這兩種情況是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。所以如何確定偽逆因子a的取值范圍或a的最優(yōu)取值是很值得深入研究。
……….

第3章四容水箱的部分分散控制...........  19
3.1四容水箱概況......... 19
3.2 四容水箱控制模型(Quadruple tank process)......... 20
3.3關(guān)于四容水箱的多變量概念......... 23
3.3.1多變量零點(diǎn)......... 23
3.3.2非線性零點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性.........25
3.3.3穩(wěn)態(tài)條件......... 26
3.4仿真實(shí)例.........   26
3.5本章小結(jié).........   33
第4章四容水箱過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)......... 34
4.1網(wǎng)絡(luò)化四容水箱......... 34
4.2網(wǎng)絡(luò)化四容水箱實(shí)驗(yàn)裝置......... 34
4.2.1系統(tǒng)軟件平臺(tái)......... 34
4.2.2系統(tǒng)硬件設(shè)汁......... 35
4.3四容水箱系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)及控制.........   36
4.4本章小結(jié) .........42
第5章結(jié)論與展望......... 43

第4章四容水箱過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)

4.1網(wǎng)絡(luò)化四容水箱
對(duì)于四容水箱相關(guān)理論的研究已經(jīng)取得了一定的成果，所以考慮如何將新的研究方法應(yīng)用到實(shí)際的過(guò)程對(duì)象上，來(lái)檢驗(yàn)理論研究的可靠性，這對(duì)控制方法能夠應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)上有著重要的意義。本實(shí)驗(yàn)主要是在北方工業(yè)大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化四容水箱控制系統(tǒng)[45]上進(jìn)行的，計(jì)對(duì)該典型的多變量過(guò)程控制對(duì)象，主要設(shè)計(jì)PLC的控制系統(tǒng)，再通過(guò)OPC通訊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)MATLAB與PLC控制系統(tǒng)的集成，從而實(shí)現(xiàn)相互之間的通訊工作，最后在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)MATLAB的實(shí)時(shí)控制。STEP7編程軟件是用于PLC組態(tài)、編程、監(jiān)控和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)工具，使用相當(dāng)廣泛�？梢灾С侄喾N編程語(yǔ)言，有功能塊圖、語(yǔ)句表、梯形邏輯圖，通常在實(shí)際中更多的采用梯形圖進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。用戶可以從中界面直觀使用S7-300的全部功能。使用STEP7可以完成較大或較復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計(jì)，能和其輔助的SIMATIC軟件包互相兼容，STEP7軟件在一定程度上式可以有效提升特定自動(dòng)化系統(tǒng)的工作效率。

……..

結(jié)論

多變量控制系統(tǒng)作為工業(yè)應(yīng)用中最普遍的過(guò)程對(duì)象，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其更好的控制，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)該研究對(duì)象做了相當(dāng)大的工作，也取得了不錯(cuò)的發(fā)展。但是就部分分散控制而言，相關(guān)理論不夠系統(tǒng)完善及其應(yīng)用上也沒(méi)廣泛實(shí)現(xiàn)，所以有必要對(duì)部分分散控制算法進(jìn)一步的研究和分析。本文主詳細(xì)介紹了部分分散控制器的發(fā)展及其基于內(nèi)模控制和預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)部分分散控制器的的方法，并且將其應(yīng)用到典型的多變量控制系統(tǒng)一四容水箱上進(jìn)行試驗(yàn)說(shuō)明部分分散控制方法在優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)和提高控制性能上的優(yōu)點(diǎn)。全文的主要研究工作有以下幾點(diǎn)：
1、利用現(xiàn)有的基于Gmmian矩陣選擇出最合適的部分分散控制器的結(jié)構(gòu)形式，之后可以分別利用內(nèi)�？刂坪皖A(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)部分分散控制器。
2、對(duì)于四容水箱這個(gè)典型的多變量系統(tǒng)，具有多變量、時(shí)變、非線性等特性，可以簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)各處調(diào)節(jié)閥的丌度使系統(tǒng)是最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)，主要考慮這兩種典型情況設(shè)計(jì)部分分散控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，驗(yàn)證本算法的有效性。
3、在網(wǎng)絡(luò)化四容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行具體仿真試驗(yàn)。主要是考慮了四容水箱的最小相位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)部分分散控制器達(dá)到實(shí)時(shí)液位控制的目的。
…………
參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：19108