雙容系統(tǒng)廣泛存在于化工、石油、污水處理等流程工業(yè)中,實際應(yīng)用中多數(shù)仍使用傳統(tǒng)的PID控制器進行控制。但由于雙容系統(tǒng)往往具有大慣性、非線性、大時滯及多干擾等特點,應(yīng)用傳統(tǒng)控制方法難以得到良好的控制品質(zhì)以及理想的魯棒性,因此對雙容系統(tǒng)新型控制方法的研究具有重要實際意義。雙容水箱系統(tǒng)是流程工業(yè)中許多復雜雙容系統(tǒng)的原型,是過程控制中的典型對象。本文以雙容水箱為研究對象,提出了基于預測PI的串級控制方案,研究了其參數(shù)整定方法與原則,并在Opto22中對控制方案進行工程化實現(xiàn)。最后將所研究的成果拓展到流程工業(yè)之中,設(shè)計了基于預測PI的脫丙烷塔塔頂溫度控制系統(tǒng)及單晶硅液面溫度控制系統(tǒng),驗證了該控制方案在實際工業(yè)過程中的可行性與實用性。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:(1)雙容水箱系統(tǒng)具有大慣性特性,本文分別闡述了單容和雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理,分析內(nèi)在機理,采用機理建模的方法建立其數(shù)學模型,通過階躍響應(yīng)測試驗證模型參數(shù)準確性。(2)提出一種基于魯棒性的絕對誤差積分(RobustIAE)的新型控制系統(tǒng)評價指標,引入模擬退火算法對預測PI算法的參數(shù)?進行優(yōu)化整定,使得預測PI的控制效果在響應(yīng)速度和魯棒性能上達到最優(yōu)。(3)針對基于傳統(tǒng)PID控制器的串級控制存在超調(diào),參數(shù)整定較為復雜的缺點,提出一種基于預測PI的串級控制方案。分析比較兩種控制方案對雙容水箱的控制效果,結(jié)果表明基于預測PI的串級控制方案具有更好的控制品質(zhì)、較強的抗干擾性能以及良好的魯棒性。(4)基于Opto22 PAC Project平臺對基于預測PI的雙容水箱串級控制方案進行工程化實現(xiàn),驗證其實際控制效果。在Opto Control中設(shè)計控制策略,對控制算法作離散化處理,在PAC Display中設(shè)計人際交互界面(HMI),用戶通過該界面可觀測系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)及在線調(diào)整參數(shù)。(5)脫丙烷塔塔頂溫度和單晶硅液面溫度都是雙容且存在滯后的對象,分別設(shè)計這兩類對象的預測PI串級控制系統(tǒng),前期調(diào)試檢驗了預測PI串級控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實用性。
【學位單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X78;TP273
【部分圖文】：

系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，液位會出現(xiàn)上流量或者輸出流量可使液位重新維持穩(wěn)定面積為 A，流出端閥門的液阻為R。根據(jù)積差等于流入量與流出量的差。in odVQ Qdt 1V Ah 1in odhA Q Qdt 利規(guī)則得到流出量oQ 與液位高度1h 的關(guān)系0 1Q aS 2gh 代表閥門的流量系數(shù)，S 代表連接管道的其關(guān)系特性曲線如圖 2.2 所示。

中，inQ表示上水箱的流入量表示下水箱底部閥門流出量，h表示上水

箱底部閥門的液阻，2R 為下水箱底部閥門的液阻。聯(lián)立方程求解得到：22 21 2 1 2 1 1 2 2 2 22( )ind h dhA A R R R A R A h R Qdt dt (2-14)對式（2-14）整理得到：22 21 2 1 2 22( )ind h dhTT T T h K Qdt dt (2-15)式（2-15）中1 1 1T A R ，2 2 2T A R ,2K R 。得到雙容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：221 2 1 2 1 2( )( ) ( ) 1 ( 1)( 1)inH s K KQ s T T s T T s T s T s(2-16)若系統(tǒng)帶有延時環(huán)節(jié)，參照以上機理建模過程，推導得到帶有時滯環(huán)節(jié)的雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學模型：21 2( )( ) ( 1)( 1)sinH s KeQ s T s T s (2-17)式（2-17）中， 為延時時間。在得到數(shù)學模型后，可通過階躍響應(yīng)曲線確定模型的具體參數(shù)。圖 2.4 為輸入幅值為 7 的階躍信號時雙容水箱系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

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本文編號：2822066