《（毕业设计论文）《A3000时滞系统优化控制的研究》》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（毕业设计论文）《A3000时滞系统优化控制的研究》（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、A3000 时滞系统优化控制的研究摘要 时滞系统是一个难控系统，因为它的受控对象具有无穷维空间。为了解决这一难题，先后经历了 PID 控制，常规优化控制，智能优化控制等，但效果并不理想，原因是 PID 只是两维三参数的组合，与受控对象的维数明显有差别。因此，半个世纪以来，时滞系统的优化控制成为人们长期研究的热点和难点。本文基于北京华晟高科教学仪器有限公司提供的自动化过程控制实验室系统 A3000 中的锅炉滞后管出口温度作为研究对象，进行机理建模分析和实验建模分析，由于此对象具有大时滞特点，故采用 ITAE二次优化控制作为整个系统的优化算法，确定系统控制方案，并在MATLAB/Simulink
2、上进行仿真，验证其可行性和鲁棒性，并与传统的 PID 控制比较，结果表明，应用 ITAE 优化的理论，不仅能使设计出对控制信号而言具有快速平稳优良的性能指标，而且该系统对于参数扰动和负荷扰动都有强壮的抗干扰能力，从而获得总体满意的控制效果。在北京三维力控软件上进行系统组态，控制组态和显示组态，编写控制策略、脚本程序，并对温度时滞系统进行投运与参数整定，使系统的各项指标都能在期望的范围内。关键词：时滞系统 ITAE 二次优化 鲁棒性 力控控制策略AbstractThe time-delay system is a difficult control system, because its con
3、trolled object has an infinite dimensional space. To solve the problem, there has gone through the PID control, conventional optimal control, intelligent optimization control, but the effect is not ideal, because the PID is a combination of two-dimensional three-parameter, and the dimension of the c
4、ontrolled object is obviously different. Therefore， for half a century, optimal control of delay-time systems become hot and difficult long-term research. Hi-Tech Beijing Hua Sheng Based Teaching Instrument Co., Ltd. to provide automated process control laboratory system A3000 delay in the outlet te
5、mperature of the boiler as the research object, The mechanism modeling and experimental modeling analysis, the characteristics of this object has large time delay, so ITAE optimal control using quadratic optimization algorithm as a whole system to determine the system control program, and MATLAB / S
6、imulink simulation on to verify its feasibility and robustness, and compared with the traditional PID control, the results show that the optimal application of ITAE theory, not only make the design of the control signal, the fast and smooth with excellent performance, but also for the parameters of
7、the system disturbance and load disturbance has a strong anti-interference ability to gain control of the overall satisfactory results. Three-dimensional force in Beijing, the control strategy, control software for system configuration, control configuration and practical configuration and delay the
8、 preparation method for temperature control, adjusting the various control parameters to achieve better control.Keywords：Time-delay system; ITAE quadratic optimization；Robustness；Force control of the control strategy.目录摘要 IAbstract .II 第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景与意义 .11.2 时滞系统的控制方法研究综述 .21.3 研究内容与安排 .3第
9、2 章 锅炉时滞系统数学模型与分析 .42.1 实验系统简介 .42.1.1 A3000 实验系统42.1.2 锅炉控制对象62.2 系统特性的辨识 .82.2.1 传递函数辨识方法介绍82.2.2 数学模型的建立92.3 本章小结 10第 3 章 系统的控制算法 113.1 时滞系统二次优化控制原理 113.2 各种控制算法的比较 143.2.1 优化控制系统性能指标.143.2.2 不同控制算法比较研究.163.3 控制器参数构造 223.4 本章小结24第 4 章 系统的控制组态和显示组态 .254.1 I/O 组态 254.2 数据库组态 254.3 应用程序 264.4 控制策略 2
10、74.4.1 功能块介绍.274.4.2 控制策略的编写.294.5 显示组态 304.6 实验测得的曲线及分析 314.7 本章小结 31第 5 章 结论与展望 33参考文献 .30附录 .31附录一31附录二33附录三34致谢 .37第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景与意义在化工、炼油、冶金、玻璃等一些复杂的工业过程当中,广泛地存在着时滞现象。由于时滞的存在,使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动,从而产生明显的超调,使得控制系统的稳定性变差,调节时间延长,对系统的设计和控制增加了很大的困难。时滞系统输出的趋势不仅依赖于系统当前的状态，也依赖于过去某一时刻或若干时刻的状态，这种特性使
11、得控制的方法更加复杂。在有限的控制系统中，已经有相当多的理论成果，可供自动化工程师门选用。但在无限维控制系统中，时滞系统最优化控制始终是一个可望而不可及的目标。因为要实现无限维受控对象的优化控制，首先，测量它的运动状态变化的观察器，应该是无穷维的；其次，它的控制器也应该是无穷维的。用物理方法无法实现这两个要求。 。ITAE二次优化控制算法，能降低系统稳定性对被控对象特性参数准确性的依赖，减少调节参数的个数，提高系统抗干扰能力，提高系统的稳定性和鲁棒性。它的原理是：先用有限维近似模型逼近因子，在最小相位LPe域内进行结构优化，称为为一次优化，后回到真实的时滞因子，再用计LPe算机仿真寻找控制器的
12、优化参数，实现了有限维，但不限于三维，对无穷维对象的满意控制。在建材、制药和造纸等工业生产控制过程都存在着时滞现象，这类生产过程、物料、能源从一端输入，要经过一些管道，或者皮带传输才能到达另一端，并在输送的过程中，逐步被加工成产品。在这些过程中太大的温度、压力和物料的波动，不仅能耗大，而且严重影响产品指令，因此研究时滞系统有效优化控制具有重要的理论和实际意义。1.2 时滞系统的控制方法研究综述半个多世纪以来，人们最初用 PID 控制，这是因为 PID 控制器具有调节规律简单、运行可靠、易于实现而且 PID 控制应用于较多方面等特点。但滞后系统由于时间滞后特性的存在，控制作用不能及时反映到被控对
13、象上，采用常规 PID 控制算法，为保证系统一定的稳定性，就不得不减小调节器的放大倍数，从而造成调节质量大幅下降。而会产生较大超调量和较长调节时间，使过渡过程变坏，系统性能指标降低，最终效果并不理想。后来相继发展了智能 PID、自适应 PID、模糊控制 PID 等，都不能实现时滞系统的最优化控制。这是因为 PID 控制器只有两维三参数，不管怎样的变新，都不能够变成无穷维控制器。退一步来讲，即使控制器变成无穷维，而观察器只有有限维，依然是不可能实现最优控制。刘永清教授曾经用二次型优化控制和动态规划等方法，在无穷维空间内寻求优化控制，但得到的控制方程仍然无解。这是因为在控制器方程中，既有超前项，又
14、有滞后项，用解析法，目前是无法解答的。1957 年，Smith 首次提出针对时滞系统的预估控制方法，该方法的思路是：用补偿的方法，消除无穷维因子后，无限维控制系统变成有限维控制系统，就可以用有限维优化控制理论，去设计它的控制器参数。从理论上分析,Smith 预估器可以完全消除时滞的影响,从而成为一种对线性、时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案。但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith 预估器需要确知被控对象的精确数学模型,而且它只能用于定常系统。这一条件事实上相当苛刻,因而影响了 Smith 预估器在实际应用中的控制性能。在工程上较为实用的是 D. Graham 和 R. C
15、 Lathrop 两人于 1953 年提出线性定常 ITAE 最优控制律，这已被我国工程界学者所广泛采用。自 1992年起，我国学者项国波教授及他的学生也用定常 ITAE 控制律去研究单容时滞系统优化控制时，取得了满意的效果，但在研究双容时滞系统优化控制时，发现采用 G-L 型控制律存在一些缺陷，并开发了 X-Y 型的 ITAE 最优控制律。1.3 研究内容与安排研究内容与安排本文围绕 A3000 装置锅炉系统进行特性辨识，系统建模、控制算法的设计、仿真与实验、力控组态等内容展开。具体内容安排如下：第一章介绍了本课题的研究背景与意义以及提出了二次优化控制算法。第二章介绍了华晟 A3000 系统
16、的组成部分，对实验对象进行了研究分析，并在此过程中进行了实验操作。在 MATLAB 上进行了描点，得到系统的特性曲线，用两点法进行取点建立了锅炉时滞系统的数学模型，得到了系统的传递函数。第三章比较了不同算法控制时滞系统的情况。分别用 PID 控制，微分先行控制，中间反馈控制和 ITAE 二次优化控制进行了系统的设计，并用MATLAB/Simulink 进行了控制算法的方真，比较各个算法系统品质指标的优劣。实验模型用二次优化控制算法进行了系统控制器参数的设计，并在MATLAB 软件上对设计好的系统仿真。第四章将系统在力控软件上进行 I/O 组态，显示组态，并编写了脚本程序和控制策略，在实验中进行验证，得到了系统实时曲线和相关结论。第 2 章 锅炉时滞系统数学模型与分析2.1 实验系统简介2.1.1 A3000 实验系统A3000 现场系统（A3000-FS 和 A3000-FBS）包含两个支路。支路 1 有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路 2 有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却，如图 2-1 所示。支路 1 包
