部分分散控制及其在四容水箱中的应用

发布时间：2015-12-11 11:11

第1章绪论

1.1课题背景及意义
在实际工业应用中，绝大多数过程对象都是多变量系统。由于在被控变量之间存在着親合互联作用，这也给控制器的设计带来一定困难。所以如何减小系统之间的相互作用对多变量系统的深入研究有着重要的意义。由于多变量系统跟单回路系统相比较，最大的不同就是回路之间存在着相互的关联作用，这也就使得对其控制存在着一定的难度。针对多变量系统的控制问题，虽然先进控制方法取得了突飞猛进的发展，但是在实际工业应用中通常还是偏向采用分散控制。究其原因，分散控制的原理就是通过一定的方法将多变量系统划分成为几个独立的、互不干扰的单回路子系统，从而对各单回路系统再分别设计相应的控制器。可见分散控制有结构简单、易实现、同时便于在线调整等优点。但是分散控制也存在不可避免的缺点，如果多变量控制系统的稱合比较弱的时候，完全分散控制就足以取得很好的控制效果，满足相应的控制性能要求；但是当多变量控制系统之间存在着较强的稱合作用时，完全分散控制就很难满足所要求的高性能指标，情况严重时，甚至都不能使系统达到稳定。所以说，完全分散控制系统的最终控制效果在很大程度上决定于整个被控过程的稱合程度。在分散控制不能解决的情况下，一般会考虑采用多变量控制的方法。
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1.2多变量系统研究现状
对于实际的工业过程对象，PID控制器具有结构较简单、参数容易整定，同时易于在线操作等优点，一直是实际工业系统控制中的主流方法，同时这也促使了 PID控制器的设计及其参数整定等方面的发展。然而，大多数的工业过程可谓都是多变量系统，存在不止一个输入和输出，这也使得各回路之间不可避免的存在相互稱合作用。可见，如何设计控制器保证多变量系统的有效控制和稳定性，，要比单变量系统的设计问题复杂得多，也不易处理。针对这种情况，一般会将多变量系统进一步划分为几个互无干扰的单回路系统，再分别设计相应的PID控制器，同时将回路之间的稱合关联作用视为外界扰动，主要是利用简化控制结构的方法来满足多变量系统的动态性能要求。这就是分散控制的主要思想，图1-1就是最基本的分散控制器结构。一直以来，分散控制器的设计都是控制方面的热点问题，也取得了相当大的进展和成就。通常分散PID控制器设计方法有以下6种：1、解调因子法：首先不考虑其他回路的影响作用，主要依赖于相应矩阵的对角元素，设计出每个控制器。再根据一些限制要求，来重新调整控制器的参数，通常是对控制器的增益乘以一个解调因子，其中典型的方法有最大对数模方法（BLT)。2、顺序回路闭合法：每个回路按照一定的顺序依次进行闭合，而一般会将最快的回路作为第一个回路进行处理[3-6]，相应地，在之后的闭合回路设计中，就需要充分考虑各个回路之间存在的动态稱合作用，可见直到最后一个控制器的设计，很大程度上就会依赖于之前所设计的控制器，而后面闭合回路同样也会对前面设计的回路造成一定影响，这说明了回路之间的先后闭合顺序会直接影响到最后控制的效果和性能。3、迭代试凑方法：和顺序回路闭合法相类似，首先是整定每个单回路的控制器[7，8]，在所有的回路都闭合的基础上，保持所有回路的控制器不变，再依次重新调整每个控制器，直到最后他们都收敛为止，一般是利用继电反馈试验来实现。但是该方法需要的试验次数较多，而且该方法很大程度依赖试验的准确度。
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第1章部分分散控制器的设计设计

2.1部分分散控制结构形式
设计部分分散控制器，主要是基于对被控对象的非方扩展。在选择出合适的控制结构形式基础上，将被控对象进一步扩展为非方对象模型，结合内模方法和预测控制方法來设计非方分散控制器，最后根据对应的结构转变为最初的部分分散控制器表达形式。如之前介绍，对于一个2X2的系统来说，就有如上4种结构形式的控制器。对于一个3X3的系统，则有234种可能存在的控制器形式，那么对于更高阶的系统，相应地部分分散控制器可能存在的结构形式就会变得更多。所以有必要在设计控制器之前，先确定出选用哪种结构形式的部分分散控制器。
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2.2部分分散控制器结构选择方法
对于一个2X2的系统，虽然只有可能的4种形式的控制器，但相互之间的控制效果却存在很大的差异。为了选出其中最合适的控制器表达形式，需要找到一种简单有效的分析方法。Lopez and Athans在1993年提出了稳定因子分解的方法[21]。但是目前更为常用的方法是基于子系统能控能观性的Gramian矩阵法[28]，采用该方法便就可以确定出所需要的部分分散控制的结构形式，即保留原系统的传递函数矩阵中的某些元素而忽略那些影响相对比较小的元素。这样的话，最终确定的子系统也可以说越接近于原系统，最终系统的控制效果也最接近于釆用多变量控制策略的效果。对于伪逆因子而言，有两种特殊情况是要特别说明的。当a= 0时，部分分散控制器就可以简化为完全分散控制器；当a=1时，是只有一个输出是可控的，那么这种情况下就会在设定值响应上引起一定的抵消。在部分分散控制器的设计上，这两种情况是绝对不允许出现的。所以如何确定伪逆因子a的取值范围或a的最优取值是很值得深入研究。
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第3章四容水箱的部分分散控制...........  19
3.1四容水箱概况......... 19
3.2 四容水箱控制模型(Quadruple tank process)......... 20
3.3关于四容水箱的多变量概念......... 23
3.3.1多变量零点......... 23
3.3.2非线性零点动态特性.........25
3.3.3稳态条件......... 26
3.4仿真实例.........   26
3.5本章小结.........   33
第4章四容水箱过程控制实验......... 34
4.1网络化四容水箱......... 34
4.2网络化四容水箱实验装置......... 34
4.2.1系统软件平台......... 34
4.2.2系统硬件设汁......... 35
4.3四容水箱系统参数辨识及控制.........   36
4.4本章小结 .........42
第5章结论与展望......... 43

第4章四容水箱过程控制实验

4.1网络化四容水箱
对于四容水箱相关理论的研究已经取得了一定的成果，所以考虑如何将新的研究方法应用到实际的过程对象上，来检验理论研究的可靠性，这对控制方法能够应用到实际系统上有着重要的意义。本实验主要是在北方工业大学的网络化四容水箱控制系统[45]上进行的，计对该典型的多变量过程控制对象，主要设计PLC的控制系统，再通过OPC通讯技术来实现MATLAB与PLC控制系统的集成，从而实现相互之间的通讯工作，最后在上位机上实现对MATLAB的实时控制。STEP7编程软件是用于PLC组态、编程、监控和调试的标准工具，使用相当广泛。可以支持多种编程语言，有功能块图、语句表、梯形逻辑图，通常在实际中更多的采用梯形图进行编程设计。用户可以从中界面直观使用S7-300的全部功能。使用STEP7可以完成较大或较复杂的应用设计，能和其辅助的SIMATIC软件包互相兼容，STEP7软件在一定程度上式可以有效提升特定自动化系统的工作效率。

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结论

多变量控制系统作为工业应用中最普遍的过程对象，为了实现对其更好的控制，已经有许多学者对该研究对象做了相当大的工作，也取得了不错的发展。但是就部分分散控制而言，相关理论不够系统完善及其应用上也没广泛实现，所以有必要对部分分散控制算法进一步的研究和分析。本文主详细介绍了部分分散控制器的发展及其基于内模控制和预测控制设计部分分散控制器的的方法，并且将其应用到典型的多变量控制系统一四容水箱上进行试验说明部分分散控制方法在优化控制结构和提高控制性能上的优点。全文的主要研究工作有以下几点：
1、利用现有的基于Gmmian矩阵选择出最合适的部分分散控制器的结构形式，之后可以分别利用内模控制和预测控制设计部分分散控制器。
2、对于四容水箱这个典型的多变量系统，具有多变量、时变、非线性等特性，可以简单地调节各处调节阀的丌度使系统是最小相位系统和非最小相位系统，主要考虑这两种典型情况设计部分分散控制器实现对水位的控制，验证本算法的有效性。
3、在网络化四容水箱控制系统实验装置上进行具体仿真试验。主要是考虑了四容水箱的最小相位系统，设计部分分散控制器达到实时液位控制的目的。
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参考文献（略）

本文编号：19108