液位控制系统模型参数辨识与算法研究
发布时间：2022-01-11 17:34
液位是工业控制过程中常见的控制对象,许多工业控制过程都可以抽象成液位控制系统模型。液位控制系统可以对液位、流量和压力等参数进行测量和控制,能够很好地对工业生产过程进行模拟。为了提高液位控制系统对实验数据的处理能力,加强控制系统与先进控制算法的结合,本课题依托实验室自主研发的水箱液位实验装置,对液位控制系统可视化监控、液位控制系统模型参数辨识和液位控制算法进行研究,主要工作内容和研究成果如下:（1）根据实际需求,结合通用性仿真软件MATLAB的GUIDE工具箱,设计了一套与液位控制实验装置配套的可视化操作平台。该软件平台可以对被控对象进行实时监测与控制,动态获取控制对象的性能参数。借助MATLAB强大的数据计算和图像处理能力,按照不同的指标要求对原始实验数据进行处理,最后以曲线的形式进行实时显示,并对水箱的液位变化进行动态模拟。通过MATLAB与Access数据库联合使用,实现对实验数据的存储与管理。（2）采用阶跃响应法和最小二乘法对液位控制系统模型中的增益系数K、延时系数τ和时间响应系数T进行辨识,并根据模型评价指标对得到的辨识模型进行验证。结果表明,通过最小二乘法辨识得到的模型结构对...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
液位控制系统MATLABGUI主界面
13义控制算法，并将其应用到液位控制系统中。在控制策略选项卡中完成对PID控制器的三个参数的设置和调节，为了方便操作，在软件设计时采用两种调节形式，一种是滑动条进行进行参数调节，通过滑动条的移动，改变对应控制参数的值，另一种就是通过Edit编辑框获取用户输入的数据对PID控制器的参数进行设置，两种方法实现联动控制，两者的参数会同步变化。滑动条使用Slider控件，其Tag属性为“Tag_功能名称”。2.4.2控制结构选择控制结构选项卡由两个部分组成，一是实验结构与被控对象选择，二是实验过程控制。其界面设计如图2.7所示。控制结构的选择是针对液位系统而言，用户可选择的结构有一阶、二阶，串级回路，前馈-反馈回路等，控制对象的选择针对的是进行液位控制实验还是温度控制实验。选择不同的控制对象和控制结构，GUI界面会显示与之对应的控制系统结构框图。图2.7控制结构选项卡界面图实验过程控制由四个功能按钮组成。开始实验按钮完成系统的复位操作，根据选择的控制结构对水箱系统中的水泵、电磁阀和电动阀等执行器件进行复位，然后依据控制策略完成对应的控制实验。结束实验按钮是对实验中的执行器执行暂停动作，然后将执行器进行复位，并清除定时器和串口变量，以免对下次实验造成干扰。实验对比按钮是为了将多种控制算法的控制效果进行对比，从Access数据库中提取液位控制算法的实验数据，对不同算法的控制效果进行观察分析。关闭按钮是在完成所有的实验之后关闭软件界面，退出系统。2.5实时曲线显示数据处理区域的复选框用于选择需要显示的数据对象，系统软件对实验数据处理后使用axes控件将处理后的数据以曲线的形式进行显示。实验数据是直接从串口获取，如果仅使用plot方法进行画图，会因采集时间过长造成数据累计，导致CPU负
杭州电子科技大学硕士学位论文192.6.2模型辨识为了充分利用MATLAB对数据的计算能力和对图像的处理能力，本系统设计了水箱液位控制系统模型结构参数辨识功能。水箱液位控制系统模型参数辨识的人机交互界面如图2.11所示。从本地提取实验数据，在系统辨识界面选择实验数据对应的液位控制系统模型结构，通过选择不同的辨识算法，对模型结构中的增益系数K、延时系数τ和时间响应系数T等参数进行辨识。图2.11模型参数辨识界面该界面的功能主要分为四个区域：（1）导入数据。用于选择需要进行处理的输入输出数据，将实验数据以Excel形式或者mat文件的形式存储在本地，在模型辨识界面点击导入数据按钮，从本地选择需要进行处理的输入输出数据，利用选择的实验数据进行系统辨识实验。（2）辨识算法选择。该模块用于选择辨识算法，点击不同的按钮控件选择对应的辨识算法。软件系统提供两种辨识算法，分别为阶跃响应辨识法和最小二乘辨识法，选择不同的辨识算法系统会调用不同的辨识程序。（3）系统结构选择与结果显示。根据实验数据确定对应的辨识模型结构，软件系统提供的有一阶、二阶和三阶三种类型的模型结构。点击辨识结果按钮，根据选择的辨识算法和模型结构，对实验数据进行计算和处理，在结果显示区域显示辨识模型结构的参数值。（4）实验数据显示。对选择的实验数据进行图形化处理，将实验结果以曲线的形式在axes区域内进行显示，方便对实验过程进行观察和判断。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MATLB GUI的湿汽轮机热力计算平台的设计与实现[J]. 陆英栋,张磊,项黎宁,曹平军. 中国修船. 2019(04)
[2]基于最小二乘辨识的单轴陀螺参数标定方法[J]. 李小平,雷泷杰,陈超,霍鹏飞,施坤林. 探测与控制学报. 2019(03)
[3]基于Matlab GUI的全球重力固体潮可视化实现[J]. 闫如玉,万永革,解朝娣,汪园园,刘勇. 地震地磁观测与研究. 2019(03)
[4]基于Matlab GUI的图像和视频处理仿真系统设计[J]. 齐玉娟,王延江. 实验技术与管理. 2019(03)
[5]基于Matlab GUI的数字图像处理仿真平台设计与开发[J]. 王文成,李健,王瑞兰,吴小进,孙学岩. 实验技术与管理. 2019(02)
[6]飞行器气动参数智能在线辨识技术研究[J]. 浦甲伦,韩业鹏,张亮. 宇航总体技术. 2018(06)
[7]基于Matlab系统辨识的参数辨识与仿真[J]. 李娜,任一峰,赵敏. 电子世界. 2014(03)
[8]全自动三容水箱液位控制实验系统的研发[J]. 徐跃飞,黄国辉,姜周曙. 计算机与应用化学. 2013(10)
[9]基于数据的MATLAB系统辨识工具箱模型识别[J]. 陈岚峰,张亚琴,程立英,张志美. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2013(04)
[10]三容水箱计算机控制仿真与实验系统的研发[J]. 叶希立,丁强,黄国辉,姜周曙. 实验室研究与探索. 2013(06)
硕士论文
[1]基于粒函数的自适应模糊控制系统研究[D]. 许佳佳.上海师范大学 2019
[2]基于改进遗传算法的纤维素酶固态发酵控制系统设计[D]. 童春梅.江苏大学 2019
[3]基于遗传算法模糊PID控制的水轮机调节系统研究[D]. 王坤.华北水利水电大学 2018
[4]基于改进遗传算法的系统级故障诊断研究[D]. 刘翠.广西大学 2018
[5]多容水箱液位控制系统的设计与算法研究[D]. 陈凯凯.西安工程大学 2018
[6]基于丝状形状记忆合金的动力学实验平台设计及模型辨识[D]. 刘铭.北京交通大学 2018
[7]基于TCS3000的智能液位控制系统研究[D]. 杨华伟.新疆大学 2017
[8]双容水箱系统的辨识与滑模变结构控制[D]. 胡姣.西安理工大学 2017
[9]过程控制实验平台设计与实验项目研发[D]. 冯晓会.陕西科技大学 2017
[10]基于遗传算法的工业锅炉变偏置双交叉限幅燃烧控制研究[D]. 王国鑫.西安科技大学 2017
本文编号：3583178
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
液位控制系统MATLABGUI主界面
13义控制算法，并将其应用到液位控制系统中。在控制策略选项卡中完成对PID控制器的三个参数的设置和调节，为了方便操作，在软件设计时采用两种调节形式，一种是滑动条进行进行参数调节，通过滑动条的移动，改变对应控制参数的值，另一种就是通过Edit编辑框获取用户输入的数据对PID控制器的参数进行设置，两种方法实现联动控制，两者的参数会同步变化。滑动条使用Slider控件，其Tag属性为“Tag_功能名称”。2.4.2控制结构选择控制结构选项卡由两个部分组成，一是实验结构与被控对象选择，二是实验过程控制。其界面设计如图2.7所示。控制结构的选择是针对液位系统而言，用户可选择的结构有一阶、二阶，串级回路，前馈-反馈回路等，控制对象的选择针对的是进行液位控制实验还是温度控制实验。选择不同的控制对象和控制结构，GUI界面会显示与之对应的控制系统结构框图。图2.7控制结构选项卡界面图实验过程控制由四个功能按钮组成。开始实验按钮完成系统的复位操作，根据选择的控制结构对水箱系统中的水泵、电磁阀和电动阀等执行器件进行复位，然后依据控制策略完成对应的控制实验。结束实验按钮是对实验中的执行器执行暂停动作，然后将执行器进行复位，并清除定时器和串口变量，以免对下次实验造成干扰。实验对比按钮是为了将多种控制算法的控制效果进行对比，从Access数据库中提取液位控制算法的实验数据，对不同算法的控制效果进行观察分析。关闭按钮是在完成所有的实验之后关闭软件界面，退出系统。2.5实时曲线显示数据处理区域的复选框用于选择需要显示的数据对象，系统软件对实验数据处理后使用axes控件将处理后的数据以曲线的形式进行显示。实验数据是直接从串口获取，如果仅使用plot方法进行画图，会因采集时间过长造成数据累计，导致CPU负
杭州电子科技大学硕士学位论文192.6.2模型辨识为了充分利用MATLAB对数据的计算能力和对图像的处理能力，本系统设计了水箱液位控制系统模型结构参数辨识功能。水箱液位控制系统模型参数辨识的人机交互界面如图2.11所示。从本地提取实验数据，在系统辨识界面选择实验数据对应的液位控制系统模型结构，通过选择不同的辨识算法，对模型结构中的增益系数K、延时系数τ和时间响应系数T等参数进行辨识。图2.11模型参数辨识界面该界面的功能主要分为四个区域：（1）导入数据。用于选择需要进行处理的输入输出数据，将实验数据以Excel形式或者mat文件的形式存储在本地，在模型辨识界面点击导入数据按钮，从本地选择需要进行处理的输入输出数据，利用选择的实验数据进行系统辨识实验。（2）辨识算法选择。该模块用于选择辨识算法，点击不同的按钮控件选择对应的辨识算法。软件系统提供两种辨识算法，分别为阶跃响应辨识法和最小二乘辨识法，选择不同的辨识算法系统会调用不同的辨识程序。（3）系统结构选择与结果显示。根据实验数据确定对应的辨识模型结构，软件系统提供的有一阶、二阶和三阶三种类型的模型结构。点击辨识结果按钮，根据选择的辨识算法和模型结构，对实验数据进行计算和处理，在结果显示区域显示辨识模型结构的参数值。（4）实验数据显示。对选择的实验数据进行图形化处理，将实验结果以曲线的形式在axes区域内进行显示，方便对实验过程进行观察和判断。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MATLB GUI的湿汽轮机热力计算平台的设计与实现[J]. 陆英栋,张磊,项黎宁,曹平军. 中国修船. 2019(04)
[2]基于最小二乘辨识的单轴陀螺参数标定方法[J]. 李小平,雷泷杰,陈超,霍鹏飞,施坤林. 探测与控制学报. 2019(03)
[3]基于Matlab GUI的全球重力固体潮可视化实现[J]. 闫如玉,万永革,解朝娣,汪园园,刘勇. 地震地磁观测与研究. 2019(03)
[4]基于Matlab GUI的图像和视频处理仿真系统设计[J]. 齐玉娟,王延江. 实验技术与管理. 2019(03)
[5]基于Matlab GUI的数字图像处理仿真平台设计与开发[J]. 王文成,李健,王瑞兰,吴小进,孙学岩. 实验技术与管理. 2019(02)
[6]飞行器气动参数智能在线辨识技术研究[J]. 浦甲伦,韩业鹏,张亮. 宇航总体技术. 2018(06)
[7]基于Matlab系统辨识的参数辨识与仿真[J]. 李娜,任一峰,赵敏. 电子世界. 2014(03)
[8]全自动三容水箱液位控制实验系统的研发[J]. 徐跃飞,黄国辉,姜周曙. 计算机与应用化学. 2013(10)
[9]基于数据的MATLAB系统辨识工具箱模型识别[J]. 陈岚峰,张亚琴,程立英,张志美. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2013(04)
[10]三容水箱计算机控制仿真与实验系统的研发[J]. 叶希立,丁强,黄国辉,姜周曙. 实验室研究与探索. 2013(06)
硕士论文
[1]基于粒函数的自适应模糊控制系统研究[D]. 许佳佳.上海师范大学 2019
[2]基于改进遗传算法的纤维素酶固态发酵控制系统设计[D]. 童春梅.江苏大学 2019
[3]基于遗传算法模糊PID控制的水轮机调节系统研究[D]. 王坤.华北水利水电大学 2018
[4]基于改进遗传算法的系统级故障诊断研究[D]. 刘翠.广西大学 2018
[5]多容水箱液位控制系统的设计与算法研究[D]. 陈凯凯.西安工程大学 2018
[6]基于丝状形状记忆合金的动力学实验平台设计及模型辨识[D]. 刘铭.北京交通大学 2018
[7]基于TCS3000的智能液位控制系统研究[D]. 杨华伟.新疆大学 2017
[8]双容水箱系统的辨识与滑模变结构控制[D]. 胡姣.西安理工大学 2017
[9]过程控制实验平台设计与实验项目研发[D]. 冯晓会.陕西科技大学 2017
[10]基于遗传算法的工业锅炉变偏置双交叉限幅燃烧控制研究[D]. 王国鑫.西安科技大学 2017
本文编号：3583178
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