基于预测PI的双容系统控制算法研究与应用

发布时间：2020-09-18 19:14

　　双容系统广泛存在于化工、石油、污水处理等流程工业中,实际应用中多数仍使用传统的PID控制器进行控制。但由于双容系统往往具有大惯性、非线性、大时滞及多干扰等特点,应用传统控制方法难以得到良好的控制品质以及理想的鲁棒性,因此对双容系统新型控制方法的研究具有重要实际意义。双容水箱系统是流程工业中许多复杂双容系统的原型,是过程控制中的典型对象。本文以双容水箱为研究对象,提出了基于预测PI的串级控制方案,研究了其参数整定方法与原则,并在Opto22中对控制方案进行工程化实现。最后将所研究的成果拓展到流程工业之中,设计了基于预测PI的脱丙烷塔塔顶温度控制系统及单晶硅液面温度控制系统,验证了该控制方案在实际工业过程中的可行性与实用性。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)双容水箱系统具有大惯性特性,本文分别阐述了单容和双容水箱系统结构和工作原理,分析内在机理,采用机理建模的方法建立其数学模型,通过阶跃响应测试验证模型参数准确性。(2)提出一种基于鲁棒性的绝对误差积分(RobustIAE)的新型控制系统评价指标,引入模拟退火算法对预测PI算法的参数?进行优化整定,使得预测PI的控制效果在响应速度和鲁棒性能上达到最优。(3)针对基于传统PID控制器的串级控制存在超调,参数整定较为复杂的缺点,提出一种基于预测PI的串级控制方案。分析比较两种控制方案对双容水箱的控制效果,结果表明基于预测PI的串级控制方案具有更好的控制品质、较强的抗干扰性能以及良好的鲁棒性。(4)基于Opto22 PAC Project平台对基于预测PI的双容水箱串级控制方案进行工程化实现,验证其实际控制效果。在Opto Control中设计控制策略,对控制算法作离散化处理,在PAC Display中设计人际交互界面(HMI),用户通过该界面可观测系统的实时运行状态及在线调整参数。(5)脱丙烷塔塔顶温度和单晶硅液面温度都是双容且存在滞后的对象,分别设计这两类对象的预测PI串级控制系统,前期调试检验了预测PI串级控制在工业生产过程中的实用性。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X78;TP273
【部分图文】：

曲线,非线性特性,流出量,液位

系统的平衡状态被打破，液位会出现上流量或者输出流量可使液位重新维持稳定面积为 A，流出端阀门的液阻为R。根据积差等于流入量与流出量的差。in odVQ Qdt 1V Ah 1in odhA Q Qdt 利规则得到流出量oQ 与液位高度1h 的关系0 1Q aS 2gh 代表阀门的流量系数，S 代表连接管道的其关系特性曲线如图 2.2 所示。

示意图,流出量,流入量,示意图

中，inQ表示上水箱的流入量表示下水箱底部阀门流出量，h表示上水

阶跃响应曲线,阶跃响应曲线,液阻

箱底部阀门的液阻，2R 为下水箱底部阀门的液阻。联立方程求解得到：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)对式（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 。得到双容水箱系统的传递函数：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)若系统带有延时环节，参照以上机理建模过程，推导得到带有时滞环节的双容水箱系统的数学模型：21 2( )( ) ( 1)( 1)sinH s KeQ s T s T s (2-17)式（2-17）中，为延时时间。在得到数学模型后，可通过阶跃响应曲线确定模型的具体参数。图 2.4 为输入幅值为 7 的阶跃信号时双容水箱系统的响应曲线。

【参考文献】