a3000時滯系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究畢業(yè)論文

1、<p>　　A3000時滯系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　時滯系統(tǒng)是一個難控系統(tǒng)，因為它的受控對象具有無窮維空間。為了解決這一難題，先后經歷了PID控制，常規(guī)優(yōu)化控制，智能優(yōu)化控制等，但效果并不理想，原因是PID只是兩維三參數(shù)的組合，與受控對象的維數(shù)明顯有差別。因此，半個世紀以來，時滯系統(tǒng)的優(yōu)化控制成為人們長

2、期研究的熱點和難點。本文基于北京華晟高科教學儀器有限公司提供的自動化過程控制實驗室系統(tǒng)A3000中的鍋爐滯后管出口溫度作為研究對象，進行機理建模分析和實驗建模分析，由于此對象具有大時滯特點，故采用ITAE二次優(yōu)化控制作為整個系統(tǒng)的優(yōu)化算法，確定系統(tǒng)控制方案，并在MATLAB/Simulink上進行仿真，驗證其可行性和魯棒性，并與傳統(tǒng)的PID控制比較，結果表明，應用ITAE優(yōu)化的理論，不僅能使設計出對控制信號而言具有快速平穩(wěn)優(yōu)良的性能指標

3、，而且該系統(tǒng)對于參數(shù)擾動和負荷擾動都有強壯的抗干擾能力，從而獲得總體滿意的控制效果。在北京三維力控軟件上進行系統(tǒng)組態(tài)，控制組態(tài)和顯示組態(tài)，編寫控制策略、腳本程序，并對溫度時滯系統(tǒng)進行投運與參數(shù)整定，使系統(tǒng)的各項指標都能在期望的范圍內。</p><p>　　關鍵詞：時滯系統(tǒng) ITAE二次優(yōu)化 魯棒性 力控控制策略</p><p><b>　　Abstract</b>&l

4、t;/p><p>　　The time-delay system is a difficult control system, because its controlled object has an infinite dimensional space. To solve the problem, there has gone through the PID control, conventional optima

5、l 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 controlled object is obviously different. Therefore，

6、 for half a century, optimal control of delay-time systems become hot and difficu</p><p>　　Keywords：Time-delay system; ITAE quadratic optimization；Robustness；Force control of the control strategy.</p>

7、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景與意義1</p><p&g

8、t;　　1.2時滯系統(tǒng)的控制方法研究綜述2</p><p>　　1.3研究內容與安排3</p><p>　　第2章 鍋爐時滯系統(tǒng)數(shù)學模型與分析4</p><p>　　2.1實驗系統(tǒng)簡介4</p><p>　　2.1.1 A3000實驗系統(tǒng)4</p><p>　　2.1.2鍋爐控制對象6</p>

9、<p>　　2.2系統(tǒng)特性的辨識8</p><p>　　2.2.1傳遞函數(shù)辨識方法介紹8</p><p>　　2.2.2數(shù)學模型的建立9</p><p>　　2.3本章小結10</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的控制算法11</p><p>　　3.1時滯系統(tǒng)二次優(yōu)化控制原理11</p&g

10、t;<p>　　3.2各種控制算法的比較14</p><p>　　3.2.1優(yōu)化控制系統(tǒng)性能指標14</p><p>　　3.2.2不同控制算法比較研究16</p><p>　　3.3控制器參數(shù)構造22</p><p>　　3.4 本章小結24</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的控制組態(tài)和顯示

11、組態(tài)25</p><p>　　4.1 I/O組態(tài)25</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)庫組態(tài)25</p><p>　　4.3應用程序26</p><p>　　4.4控制策略27</p><p>　　4.4.1功能塊介紹27</p><p>　　4.4.2控制策略的編寫29</p

12、><p>　　4.5顯示組態(tài)30</p><p>　　4.6實驗測得的曲線及分析31</p><p>　　4.7本章小結31</p><p>　　第5章 結論與展望33</p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　附錄31

13、</b></p><p><b>　　附錄一31</b></p><p><b>　　附錄二33</b></p><p><b>　　附錄三34</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p&g

14、t;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景與意義</p><p>　　在化工、煉油、冶金、玻璃等一些復雜的工業(yè)過程當中,廣泛地存在著時滯現(xiàn)象。由于時滯的存在,使得被控量不能及時地反映系統(tǒng)所承受的擾動,從而產生明顯的超調,使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差,調節(jié)時間延長,對系統(tǒng)的設計和控制增加了很大的困難。</p><p&g

15、t;　　時滯系統(tǒng)輸出的趨勢不僅依賴于系統(tǒng)當前的狀態(tài)，也依賴于過去某一時刻或若干時刻的狀態(tài)，這種特性使得控制的方法更加復雜。在有限的控制系統(tǒng)中，已經有相當多的理論成果，可供自動化工程師門選用。但在無限維控制系統(tǒng)中，時滯系統(tǒng)最優(yōu)化控制始終是一個可望而不可及的目標。因為要實現(xiàn)無限維受控對象的優(yōu)化控制，首先，測量它的運動狀態(tài)變化的觀察器，應該是無窮維的；其次，它的控制器也應該是無窮維的。用物理方法無法實現(xiàn)這兩個要求。。</p>&

16、lt;p>　　ITAE二次優(yōu)化控制算法，能降低系統(tǒng)穩(wěn)定性對被控對象特性參數(shù)準確性的依賴，減少調節(jié)參數(shù)的個數(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。它的原理是：先用有限維近似模型逼近因子，在最小相位域內進行結構優(yōu)化，稱為為一次優(yōu)化，后回到真實的時滯因子，再用計算機仿真尋找控制器的優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)了有限維，但不限于三維，對無窮維對象的滿意控制。在建材、制藥和造紙等工業(yè)生產控制過程都存在著時滯現(xiàn)象，這類生產過程、物料、能源從一端輸

17、入，要經過一些管道，或者皮帶傳輸才能到達另一端，并在輸送的過程中，逐步被加工成產品。在這些過程中太大的溫度、壓力和物料的波動，不僅能耗大，而且嚴重影響產品指令，因此研究時滯系統(tǒng)有效優(yōu)化控制具有重要的理論和實際意義。</p><p>　　1.2時滯系統(tǒng)的控制方法研究綜述</p><p>　　半個多世紀以來，人們最初用PID控制，這是因為PID控制器具有調節(jié)規(guī)律簡單、運行可靠、易于實現(xiàn)而且PI

18、D控制應用于較多方面等特點。但滯后系統(tǒng)由于時間滯后特性的存在，控制作用不能及時反映到被控對象上，采用常規(guī)PID控制算法，為保證系統(tǒng)一定的穩(wěn)定性，就不得不減小調節(jié)器的放大倍數(shù)，從而造成調節(jié)質量大幅下降。而會產生較大超調量和較長調節(jié)時間，使過渡過程變壞，系統(tǒng)性能指標降低，最終效果并不理想。后來相繼發(fā)展了智能PID、自適應PID、模糊控制PID等，都不能實現(xiàn)時滯系統(tǒng)的最優(yōu)化控制。這是因為PID控制器只有兩維三參數(shù)，不管怎樣的變新，都不能夠變成

19、無窮維控制器。退一步來講，即使控制器變成無窮維，而觀察器只有有限維，依然是不可能實現(xiàn)最優(yōu)控制。</p><p>　　劉永清教授曾經用二次型優(yōu)化控制和動態(tài)規(guī)劃等方法，在無窮維空間內尋求優(yōu)化控制，但得到的控制方程仍然無解。這是因為在控制器方程中，既有超前項，又有滯后項，用解析法，目前是無法解答的。</p><p>　　1957年，Smith首次提出針對時滯系統(tǒng)的預估控制方法，該方法的思路是：用

20、補償?shù)姆椒ǎ裏o窮維因子后，無限維控制系統(tǒng)變成有限維控制系統(tǒng)，就可以用有限維優(yōu)化控制理論，去設計它的控制器參數(shù)。從理論上分析,Smith預估器可以完全消除時滯的影響,從而成為一種對線性、時不變和單輸入單輸出時滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實際應用中卻不盡人意,主要原因在于:Smith預估器需要確知被控對象的精確數(shù)學模型,而且它只能用于定常系統(tǒng)。這一條件事實上相當苛刻,因而影響了Smith預估器在實際應用中的控制性能。</p>

21、<p>　　在工程上較為實用的是D. Graham和R. C Lathrop兩人于1953年提出線性定常ITAE最優(yōu)控制律，這已被我國工程界學者所廣泛采用。自1992年起，我國學者項國波教授及他的學生也用定常ITAE控制律去研究單容時滯系統(tǒng)優(yōu)化控制時，取得了滿意的效果，但在研究雙容時滯系統(tǒng)優(yōu)化控制時，發(fā)現(xiàn)采用G-L型控制律存在一些缺陷，并開發(fā)了X-Y型的ITAE最優(yōu)控制律。</p><p>　　1.

22、3研究內容與安排</p><p>　　本文圍繞A3000裝置鍋爐系統(tǒng)進行特性辨識，系統(tǒng)建模、控制算法的設計、仿真與實驗、力控組態(tài)等內容展開。具體內容安排如下：</p><p>　　第一章介紹了本課題的研究背景與意義以及提出了二次優(yōu)化控制算法。</p><p>　　第二章介紹了華晟A3000系統(tǒng)的組成部分，對實驗對象進行了研究分析，并在此過程中進行了實驗操作。在MAT

23、LAB上進行了描點，得到系統(tǒng)的特性曲線，用兩點法進行取點建立了鍋爐時滯系統(tǒng)的數(shù)學模型，得到了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。</p><p>　　第三章比較了不同算法控制時滯系統(tǒng)的情況。分別用PID控制，微分先行控制，中間反饋控制和ITAE二次優(yōu)化控制進行了系統(tǒng)的設計，并用MATLAB/Simulink進行了控制算法的方真，比較各個算法系統(tǒng)品質指標的優(yōu)劣。實驗模型用二次優(yōu)化控制算法進行了系統(tǒng)控制器參數(shù)的設計，并在MATLAB軟件

24、上對設計好的系統(tǒng)仿真。</p><p>　　第四章將系統(tǒng)在力控軟件上進行I/O組態(tài)，顯示組態(tài)，并編寫了腳本程序和控制策略，在實驗中進行驗證，得到了系統(tǒng)實時曲線和相關結論。</p><p>　　第2章 鍋爐時滯系統(tǒng)數(shù)學模型與分析</p><p><b>　　2.1實驗系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　2.1.1 A30

25、00實驗系統(tǒng)</p><p>　　A3000 現(xiàn)場系統(tǒng)（A3000-FS和A3000-FBS）包含兩個支路。支路1有1#水泵，換熱器，鍋爐，還可以直接注水到三個水箱以及鍋爐。支路2有2#水泵，壓力變送器，電動調節(jié)閥，三個水箱，還有一路流入換熱器進行冷卻，如圖2-1所示。</p><p>　　支路1包括左邊水泵，1#流量計，電磁閥等組成，可以到達任何一個容器，鍋爐以及換熱器。</p&g

26、t;<p>　　鍋爐底部連接有滯后管系統(tǒng)。在滯后管出口裝有一個溫度傳感器，可以做溫度滯后實驗。鍋爐內有高、低限兩個液位開關，可以進行聯(lián)鎖保護。當鍋爐內液位低于低限液位開關時，液位開關打開，加熱器無法開啟。當液位超過它時，液位開關合上，加熱器信號連通，因此可以防止加熱器干燒。</p><p>　　實驗通過調節(jié)鍋爐中加熱器輸入電壓來對鍋爐中水加熱，散熱主要靠鍋爐及滯后管排出的液體帶走一定的熱量和新加入的

27、冷水進行冷卻。為了保證模型的準確性，即防止儲水箱中的熱水回到鍋爐帶入附加的熱量，影響調壓器正常輸出，所以要將滯后管排出的熱水導出，向儲水箱加入冷水。同時為了保證工作點穩(wěn)定，還要在建立一個控制系統(tǒng)來控制液位在一個固定高度?？删幰粋€傳統(tǒng)PID對鍋爐液位進行控制。</p><p>　　圖2-1 A3000現(xiàn)場系統(tǒng)結構</p><p>　　A3000控制系統(tǒng)A3000-CS包括傳感器執(zhí)行器I/O

28、連接板、三個可換的子控制系統(tǒng)板，第三方控制系統(tǒng)接口板。</p><p>　　整個部分設計在一個工業(yè)柜子中，開放性極強。一個前門，保證了設備防塵、散熱等需要。</p><p>　　內部結構設置合理，布線完全按照工業(yè)要求，整齊、可靠。</p><p>　　系統(tǒng)結構如圖所2-2示。左邊是機柜布置簡圖，右邊是各個控制系統(tǒng)的半模擬屏簡圖。</p><p&g

29、t;　　圖2-2 控制系統(tǒng)結構</p><p>　　2.1.2鍋爐控制對象</p><p>　　鍋爐滯后管實驗對象如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 鍋爐滯后管實驗對象</p><p><b>　　實驗操作與步驟：</b></p><p>　　1、在A3000-FS上，將通往鍋

30、爐管道的手閥以及電磁閥完全打開，其余閥門關閉。</p><p>　　2、按照測量列表連線，具體的接線方式如表2-1所示。</p><p>　　3、打開A3000電源，在 A3000-FS 上，啟動左邊水泵，給鍋爐注水到大概 30cm 高度（液位計顯示的水位高度）。啟動上位機，給系統(tǒng)加一個階躍，開始記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　4、為使液位保持在一個動態(tài)穩(wěn)定位置

31、，在加熱過程中保持左邊水泵啟動，這樣左邊可以形成水循環(huán)回路。 </p><p>　　5、得到實驗數(shù)據(jù)后，實驗結束。關閉閥門，關閉水泵。關閉全部電源設備，拆下實驗連接線。</p><p>　　表2-1 實驗測量與控制端連線</p><p>　　根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件上畫出曲線，所得的曲線如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-

32、4 系統(tǒng)測得的特性曲線</p><p>　　2.2系統(tǒng)特性的辨識</p><p>　　2.2.1傳遞函數(shù)辨識方法介紹</p><p>　　傳遞函數(shù)辨識的時域方法包括階躍響應法、脈沖響應法和矩形脈沖響應法等，其中以階躍響應法最為常用。階躍響應法利用階躍響應曲線對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進行辨識，階躍響應曲線即輸入量作階躍變化時，系統(tǒng)輸出的變化曲線。在工業(yè)過程控制系統(tǒng)的辨識中，

33、階躍響應曲線又常被稱為飛升曲線或系統(tǒng)的飛升特性。如果系統(tǒng)不含有積分環(huán)節(jié)，那么階躍輸入下，系統(tǒng)的輸出將漸近一新的穩(wěn)定狀態(tài)，稱系統(tǒng)具有自平衡特性，或稱為自衡對象。否則，系統(tǒng)稱為無自衡對象，輸出無限制地擴大或縮小，說明系統(tǒng)至少具有一個純積分環(huán)節(jié)。若實驗飛升曲線是一條S型非周期曲線，則它的數(shù)學模型可用一階慣性環(huán)節(jié)與延時環(huán)節(jié)的組合來近似，如圖所示。</p><p>　　圖2-5帶延時的一階環(huán)節(jié)的飛升曲線</p>

34、<p>　　對于S型曲線，常有以下兩種方法處理：</p><p><b>　　（1）切線法</b></p><p>　　這是一種比較簡單的方法，即通過圖中響應曲線的拐點D作一條切線，在時間軸上的交點即為滯后時間τ，與線的交點在時間軸上的投影即為時間常數(shù)T，對象的放大倍數(shù)K與上面的無延時的一階慣性對象的計算一樣。</p><p>&

35、lt;b>　?。?）計算法</b></p><p>　　對具有純滯后的一階慣性對象的傳遞函數(shù)的求取，由于采用（1）的切線法時，因拐點和切線的斜率不易確定，故常常采用計算法來求取，其中最常用到的就是兩點法和曲線擬合的方法。</p><p>　　已知一階慣性延時函數(shù)可以表示為：，這里面有3個未知量，下面是確定K、T和τ的方法</p><p>　　K=，

36、其中，表示系統(tǒng)穩(wěn)定時的值，表示系統(tǒng)所加的階躍幅值。</p><p>　　曲線的標么值： </p><p>　　0 0t＜τ</p><p><b>　　τt</b></p><p>　　選兩個時刻和且 > >τ有</p><p>&l

37、t;b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　這樣可以解出</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　2.2.2數(shù)學模型的建立</p><p&g

38、t;　　對于上面圖2-4所測得的系統(tǒng)特性，我們采用兩點法來求它的模型。</p><p>　　觀察圖2-4，實驗所給予系統(tǒng)的階躍信號是從2.5到3.0，每2s記錄一個數(shù)據(jù)點。</p><p>　　在曲線上面取兩個大于τ的點，點（800，2.983）和點（1128,3.047），而曲線上最大值點為（1361,3.081）</p><p>　　由最大值點和階躍曲線幅值A=

39、0.5.可知</p><p><b>　　K==</b></p><p>　　通過式子（2-2）和（2-3）可計算出</p><p>　　=290 </p><p><b>　　=1050</b></p><p>　　所以辨識出來的系統(tǒng)模型是G(s)= <

40、/p><p><b>　　2.3本章小結</b></p><p>　　本章主要了解A3000高級過程控制實驗系統(tǒng)裝置，實驗中應該注意的事項，并對系統(tǒng)做了特性測試，在MATLAB上對其進行了擬合處理，用兩點法分析求出了鍋爐時滯系統(tǒng)的數(shù)學模型，得到了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的控制算法</p><p>　

41、　3.1時滯系統(tǒng)二次優(yōu)化控制原理</p><p>　　時滯系統(tǒng)的數(shù)學模型可以表示為：</p><p>　　G（p）= （3-1）</p><p>　　式中 K——受控對象放大系數(shù)；</p><p>　　L——實時時滯常數(shù)；</p><p>　　P——實時微分

42、算子；</p><p><b>　??； </b></p><p>　　式中 T——慣性時間常數(shù)</p><p>　　式（3-1）中含有無窮維因子</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中

43、 （3-3）</p><p>　　由于“任何一個物理系統(tǒng)都是耗散系統(tǒng)，隨著時間的增長，耗散將消磨掉系統(tǒng)中所有小尺度的收斂比較快的維數(shù)，因此決定系統(tǒng)長時間行為的維數(shù)終將降低，最后僅剩下能夠支撐起吸引子的少數(shù)自由度，所以，用不變維數(shù)相空間反而不能正確描述耗散系統(tǒng)的真實情況”</p><p>　　也即是說：L足夠小，i足夠大時，就變成無關要緊的小量了，高次冪

44、項隨著系統(tǒng)的演化，也就被消磨掉了，這也就是只有兩維三參數(shù)的PID控制器，能夠長期在這一領域中，得到廣泛應用的主要原因，因此用有限維數(shù)學模型為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　來逼近無窮維因子是合理的，稱它為階分時模型。</p><p>　　=1時，稱它為一階分時模型，這時式子取</p><

45、p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　=1時的二次優(yōu)化設計</p><p>　　設=，則 （3-6）</p><p>　　上式是一個二階定常受控對象，為了把它綜合成位移無靜差ITAE最優(yōu)控制系統(tǒng)，開環(huán)傳遞函數(shù)中至少得有一個積分環(huán)節(jié)，/p，為待定的參數(shù)。</p><p&g

46、t;　　圖3-1 =1時的單容系統(tǒng)結構圖</p><p>　　為式子 （3-6）受控對象串聯(lián)一個積分后，系統(tǒng)結構圖如圖3-1所示，相應的開、閉環(huán)傳度函數(shù)分別為</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式子（1-8）有三位

47、，但可控參數(shù)只有一個，根據(jù)ITAE最優(yōu)可綜合原則，至少要增加兩個獨立可控量，維了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，應采用狀態(tài)反饋來實現(xiàn)第一次優(yōu)化。于是，便有下圖3-2所示的結構。</p><p>　　圖3-2 用狀態(tài)反饋實現(xiàn)=1時的位移無靜差ITAE最優(yōu)控制結構圖</p><p>　　下面確定圖3-2中控制器的三個參數(shù)，，。</p><p>　　圖2中系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為<

48、;/p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　　便得<

49、;/b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　（3-13）</b></p><p>　　而三階位移無靜差ITAE最優(yōu)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　

50、（3-14）</b></p><p>　　比較式子（1-13）和（1-14）兩式s同次冪系數(shù)相等，整理后，便可得第一次優(yōu)化控制器三個參數(shù)解方程</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　在定常有限維空間后回到無窮維因子，這時狀態(tài)反饋陣傳遞函數(shù)為</p><p><b>　

51、?。?-16）</b></p><p><b>　　對應的結構圖如下：</b></p><p>　　圖3-3 =1時純時滯系統(tǒng)具有無窮維狀態(tài)反饋控制結構圖</p><p>　　圖3的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p&

52、gt;　　式子（3-17）中，，取決于式子（3-15），那里除了未知外，其他的取決于所選的何種類型的ITAE最優(yōu)系數(shù)集，它們也是已知的。ITAE控制算法參數(shù)集見附表一。</p><p>　　3.2各種控制算法的比較</p><p>　　3.2.1優(yōu)化控制系統(tǒng)性能指標</p><p>　　評價控制系統(tǒng)性能有2個標準：實用性和選擇性.</p><p&

53、gt;　　實用性定義：應用各種積分型的最優(yōu)性能指標，在物理上,意味著一個受控系統(tǒng)從一個狀態(tài)變遷到另一個狀態(tài)時的一種損失。如果損失最小，那么這個系統(tǒng)的過渡過程就是最優(yōu)的。在ITAE最優(yōu)性能指標中，有一個變權因子，當=0時，表示過渡過程剛開始，它允許損失函數(shù)，而當，它逼迫迅速減少，它就意味著一個受控系統(tǒng)從一個狀態(tài)變遷到另一狀態(tài)時，其過渡過程是快速平穩(wěn)的。</p><p>　　幾種優(yōu)化性能指標的比較表如3-1：<

54、/p><p>　　表3-1 幾種優(yōu)化性能指標的比較表</p><p>　　實驗表明：=0是6個指標最小的，但是它所確定的系統(tǒng)確實自振蕩的，根本無法正常運行；而=2.2是性能指標中最大的一個“數(shù)”，但它卻有良好的性能指標。</p><p>　　選擇性定義：在最優(yōu)阻尼系數(shù)點的臨域，改變一個增量，由它引起最優(yōu)性能指標的變化，這兩個增量之比的極限，即是：</p>

55、<p>　　越大，選擇性越好；反之，越差。分析表明，J（ITSE）性能指標選擇性最好，J（ITAE）次之。</p><p>　　綜上所述，在時滯系統(tǒng)中，同時符合選擇性和實用性的指標的，J（ITAE）這個指標是比較符合實際的，所以我們后面討論的品質系數(shù)就是根據(jù)這個指標來比較實現(xiàn)的。</p><p>　　3.2.2不同控制算法比較研究</p><p>　　滯后

56、系統(tǒng)是一難控系統(tǒng)，它的難控程度可以用一個難控定義來衡量。定義</p><p>　　為難控度，通常認為時，該系統(tǒng)為一難控系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)用常規(guī)的PID控制器控制它，很難取得滿意的效果。</p><p><b>　　設受控對象為</b></p><p><b>　　（3-18）</b></p><p>

57、　　這是一個難控度為1的系統(tǒng)，屬于臨界狀態(tài)。下面分別用常規(guī)的PID控制和二次優(yōu)化控制來控制。</p><p><b>　　PID控制方案</b></p><p>　　圖3-4 PID控制結構圖</p><p>　　3-5 PID階躍響應</p><p><b>　　微分先行控制方案</b>&l

58、t;/p><p>　　圖3-6微分現(xiàn)行控制結構圖</p><p>　　圖3-7 微分先行控制階躍響應</p><p><b>　　中間反饋控制方案</b></p><p>　　圖3-8 中間反饋控制結構圖</p><p>　　圖3-9 中間反饋控制階躍響應</p><p>

59、;　　用MATLAB軟件仿真，得到這三種控制方案的效果：</p><p>　　表3-2 三種PID控制效果</p><p>　　它們的品質指標分別為：</p><p>　　PID：=2325=575</p><p>　　微分先行：=16.228=453.6</p><p>　　中間反饋：=13.321=279.3 &l

60、t;/p><p>　　比較結果，中間反饋效果好。</p><p>　　我們再討論用二次優(yōu)化控制原理實現(xiàn)優(yōu)化控制時的品質指標。</p><p>　　第一，取四階分時模型，=4，它的第一次優(yōu)化參數(shù)集為式：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　采用G-L-I型ITAE最優(yōu)控

61、制律時 ，一次優(yōu)化參數(shù)取</p><p>　　=3.95，=7.45，=8.6，=6.6， =3.25</p><p>　　根據(jù)附表表格4中，=1.654</p><p>　　得 </p><p><b>　　=0.4135</b></p><p>　　將它連同值代入一次優(yōu)

62、化控制器參數(shù)式子（3-19），得二次優(yōu)化控制器參數(shù)集為</p><p>　　=0.1066，=0.1877， =0.7383， </p><p>　　=-0.5307， =-0.1046， =0.3309</p><p>　　=0.0938， =0.375， =0.75， =1</p><p>　　二次優(yōu)化控制結構圖如3-10所示：</

63、p><p>　　圖3-10 受控對象二次優(yōu)化控制結構圖</p><p>　　系統(tǒng)響應如圖3-11所示：</p><p>　　圖3-11 采用G-L-I型ITAE最優(yōu)控制律，受控對象二次優(yōu)化控制的響應</p><p><b>　　圖中，</b></p><p>　　=4.9， =14.16<4

64、L。</p><p>　?。?）采用X-Y-I型ITAE最優(yōu)控制律時，一次優(yōu)化參數(shù)取</p><p>　　=3.715，=6.965，=7.645，=5.739， =2.905</p><p>　　根據(jù)附表4中，=1.73</p><p>　　得 </p><p><b>　　=0.4

65、325</b></p><p><b>　　將它連同</b></p><p>　　值代入一次優(yōu)化控制器參數(shù)式子，得二次優(yōu)化控制器參數(shù)集為</p><p>　　=0.1396，=0.0128， =1.4315， </p><p>　　=1.0913， =1.1478， =0.6982</p>&l

66、t;p>　　=0.0938， =0.375， =0.75， =1</p><p>　　系統(tǒng)響應如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 采用X-Y-I型ITAE最優(yōu)控制律，受控對象二次優(yōu)化控制的響應</p><p><b>　　圖中，</b></p><p>　　=4.72， =13.22<4L。

67、</p><p>　　比較它們的品質指標：</p><p>　　G-L型ITAE的品質指標：=69.38</p><p>　　X-Y-I型ITAE的品質指標：=62.3984</p><p>　　和前面比較，這兩種采用ITAE控制律的品質指標都比傳統(tǒng)的PID控制、常規(guī)優(yōu)化控制等要好得多。這是因為TOC系統(tǒng)是在無窮維狀態(tài)空間內，實現(xiàn)的優(yōu)化控制，

68、而且由于它們是通過無窮維反饋控制器來實現(xiàn)優(yōu)化控制的，因此，抗干擾能力也很強。</p><p>　　3.3控制器參數(shù)構造</p><p>　　首先我們先將被控對象數(shù)學模型進行有限維處理，根據(jù)ITAE最優(yōu)控制律配置觀察器，然后回到無窮維空間對其實現(xiàn)第二次優(yōu)化。</p><p>　　系統(tǒng)的模型為：G(s) = </p><p><b>　

69、　其中</b></p><p>　　K=0.96，T=1050，L=290</p><p>　　構造的狀態(tài)觀測器如圖</p><p>　　圖3-13 狀態(tài)觀測器</p><p>　　根據(jù)附表4，選用X-Y-I型控制律，并且，則選用參數(shù)</p><p>　　=3.715，=6.965，=7.645，=5.7

70、39， =2.905</p><p>　　根據(jù)上一章中式子3-17，代入數(shù)據(jù)，可以求出它的第一次優(yōu)化參數(shù)集為：</p><p>　　，=5.26624， =627.678，</p><p>　　=43294.06， =4114971.22 =2.827</p><p>　　=， =， </p><p&

71、gt;　　=， =0.0138</p><p><b>　　取=1.73</b></p><p>　　=1.73/290=0.00597</p><p>　　普通PID控制方法及其響應曲線如下</p><p>　　圖3-16 PID控制</p><p>　　圖3-17 階

72、躍曲線</p><p>　　二次優(yōu)化控制的結構圖如下：</p><p>　　圖3-14 二次優(yōu)化控制結構圖</p><p>　　運行，得仿真結果如3-15所示：</p><p>　　圖3-15 二次優(yōu)化控制仿真圖</p><p><b>　　系統(tǒng)的品質指標：</b></p>&l

73、t;p>　　=0.7，=11.5</p><p><b>　　=8.05</b></p><p>　　由性能指標可以看出：二次優(yōu)化控制的控制要比PID控制好，超調小，調節(jié)時間短，系統(tǒng)穩(wěn)定作用強。</p><p><b>　　3.4 本章小結</b></p><p>　　綜合以上各控制方案的控制

74、效果，我們可以得出， ITAE二次優(yōu)化控制方案的控制不管從快速性和平穩(wěn)型都是最好的。ITAE二次優(yōu)化控制系統(tǒng)中是在無窮維狀態(tài)空間內，實現(xiàn)的優(yōu)化控制，且由于它們是通過無窮維反饋控制器來實現(xiàn)優(yōu)化控制的，抗干擾能力很強，故本文推崇使用二次優(yōu)化控制算法來控制時滯系統(tǒng)。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的控制組態(tài)和顯示組態(tài)</p><p>　　實驗平臺：力控Force control 6.1軟件，

75、A3000過程控制實驗裝置。</p><p><b>　　4.1 I/O組態(tài)</b></p><p>　?。?） I/O設備選用的是研華1711數(shù)據(jù)采集卡。設計步驟為：進入力控主界面，在工程項目窗口雙擊IO設備組態(tài)選項IO ManagerIO設備ADVANTECH（研華）研華全系列板卡，I/O設備組態(tài)如4-1所示</p><p>　　圖4-1

76、 I/O設備組態(tài)</p><p><b>　　4.2數(shù)據(jù)庫組態(tài)</b></p><p>　　數(shù)據(jù)庫組態(tài)如4-2所示</p><p>　　步驟為：在力控主界面的工程項目窗口雙擊數(shù)據(jù)庫組態(tài)，進入數(shù)據(jù)庫管理窗口，雙擊[點名]欄任意表格，這樣就可以建立數(shù)據(jù)點。我們在數(shù)據(jù)庫建立的模擬I/O點：level、t、level_out、t_out、spt、kc、

77、k1、k2、k3、k4、k5、a1、a2、a3、a4、kp、tp、lp、start、ganrao、m、n.</p><p>　　控制策略所生成的點：TRANS0、TRANS1、 TRANS2、 TRANS3、TRANS4、LIMIT0、PID0.</p><p>　　圖4-2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)</p><p><b>　　4.3應用程序</b>&l

78、t;/p><p>　?。?） 應用程序編寫的動作腳本如圖4-3所示（這是根據(jù)式子3-19編寫的，二次優(yōu)化控制器參數(shù)）：</p><p>　　kc.pv=tp.pv*1.73*1.73*1.73*1.73*1.73*1.73/(lp.pv*lp.pv*24*kp.pv); k1.pv=3.751*tp.pv*1.73*1.73*1.73*1.73*1.73/(lp.pv*24*kp.pv)-3

79、.096*tp.pv*1.73/(lp.pv*kp.pv)+4*tp.pv/(kp.pv*lp.pv);k2.pv=6.965*tp.pv*1.73*1.73*1.73*1.73/(24*kp.pv)-3.096*tp.pv*1.73/kp.pv+3*tp.pv/kp.pv; k3.pv=7.645*tp.pv*lp.pv*1.73*1.73*1.73/(24*kp.pv)-3.096*tp.pv*lp.pv*1.73/(2*kp.p

80、v)+tp.pv*lp.pv/kp.pv;k4.pv=5.739*tp.pv*lp.pv*lp.pv*1.73*1.73/(24*kp.pv)-3.096*tp.pv*lp.pv*lp.pv*1.73/(6*kp.pv)+tp.pv*lp.pv*lp.pv/(6*kp.pv); k5.pv=(2.9</p><p>　　a3.pv=12/(lp.pv*lp.pv); </p><p>

81、　　a4.pv=4/lp.pv; TRANS0.B=tp.pv; TRANS0.C=kp.pv;</p><p>　　圖4-3 動作腳本</p><p><b>　　4.4控制策略</b></p><p>　　4.4.1功能塊介紹</p><p>　　控制策略由一些基本功能塊組成，一個功能塊代表一種操作、算法或變量

82、，它是策略的基本執(zhí)行元素，類似一個集成電路塊，有若干輸入和輸出，每個輸入和輸出管腳都有唯一的名稱，不同種類的功能塊每個管腳的意義、取值范圍也不相同。</p><p>　　一種基本功能塊可以被反復調用，每次調用被賦予一個名字，功能塊的執(zhí)行順序和它在屏幕上的位置相關，位置靠左上方的功能塊優(yōu)先執(zhí)行，按照先左后右、先上后下的順序執(zhí)行。</p><p>　　功能塊分5類：變量功能塊，數(shù)學運算功能塊、

83、程序控制功能塊、邏輯功能塊和控制算法功能塊。</p><p>　　在本設計中，主要用到的功能塊有：PID功能塊、ADD功能塊、SUB功能塊、MUL功能塊、TRANS功能塊。它們的功能說明如下（具體參數(shù)見附錄三）。</p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制功能塊：在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱PID調節(jié)器）是應用最為廣泛的一種自

84、動控制器。</p><p>　　PID參數(shù)的選擇： </p><p>　　數(shù)字PID調節(jié)器參數(shù)的整定可以仿照模擬PID調節(jié)器參數(shù)整定的各種方法，根據(jù)工藝對控制性能的要求，決定調節(jié)器的參數(shù)。這里就各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響簡單加以說明。 </p><p>　?、俦壤禂?shù)P對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。P偏大，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)

85、時間加長。P太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。P可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果P的符號選擇不當對象狀態(tài)(pv值)就會離控制目標的狀態(tài)(sv值)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況P的符號就一定要取反。 </p><p>　?、诜e分控制I對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 </

86、p><p>　　③微分控制D對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，D偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短。D偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。只有D合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。</p><p>　　ADD加法功能塊：把兩個操作數(shù)相加。Result = in1 + in2。</p><p>　　SUB減法功能塊：把兩個操作數(shù)相減。Result = in1

87、- in2。</p><p>　　MUL乘法功能塊：把兩個操作數(shù)相乘。Result = in1 * in2。</p><p>　　TRANS功能塊：該點是計算一個一階傳遞函數(shù)Y（s）/ U（s） = （C+Ds）/（A+Bs）。</p><p>　　4.4.2控制策略的編寫</p><p>　　系統(tǒng)的控制策略控制策略生成器Strategy B

88、uilder，是面向控制的新一代軟件邏輯自動化控制軟件，采用符合IEC1131-3標準的圖形化編制方式，提供包括變量、數(shù)學運算、邏輯功能、程序控制、常規(guī)功能、控制回路、數(shù)學點處理等在內的十幾類運算塊，內置常規(guī)PID、比值控制、開關控制、斜坡控制等豐富的控制算法。同時提供開放的算法接口，可以嵌入用戶自己的控制程序。控制策略生成器與力控的其他程序組建可以無縫連接。</p><p>　　設置步驟為：在力控中展開工具選項

89、進入策略編輯器編輯界面，在次界面中，從左邊工具欄中選擇設計所需功能塊和相應變量將其拖入編輯窗口，設計出圖如4-4所示：</p><p>　　圖4-4 控制策略</p><p><b>　　4.5顯示組態(tài)</b></p><p>　　進入力控開發(fā)主界面，建立窗口，運用工具箱，在窗口中添加所需控件。如圖4-5所示：</p><

90、p>　　趨勢圖：雙擊趨勢圖，進入屬性設置窗口：（1）在畫筆欄中編輯曲線的名稱、樣式、顏色；鏈接所要顯示變量（2）在時間欄中設置時間長度和采樣間隔。</p><p>　　文本：雙擊文本，進入動畫鏈接窗口，在數(shù)值輸入顯示欄中設定顯示方式，鏈接好變量。</p><p>　　按鈕：雙擊按鈕，進入開關向導窗口，鏈接變量名，設置開關顏色和有效動作方式，設置好后的界面如4-5所示。</p&g

91、t;<p>　　圖4-5 顯示界面</p><p>　　其中，液位PID控制是使系統(tǒng)的液位保持在一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，ITAE控制是使溫度能快速響應。</p><p>　　PID實時趨勢曲線描繪的變量：level、level_out、PID0.SPL</p><p>　　ITAE實時趨勢曲線描繪的變量：、t、t_out、spt、ganrao.</

92、p><p>　　4.6實驗測得的曲線及分析</p><p><b>　　4.7本章小結</b></p><p>　　本章節(jié)介紹了在力控軟件上進行的硬件組態(tài)、顯示組態(tài)以及腳本程序和控制策略的編寫，最后在實驗中驗證了ITAE算法的可行性和優(yōu)越性，取得了一定的效果。</p><p><b>　　第5章 結論與展望<

93、/b></p><p>　　本文在實驗室A3000高級過程控制裝置鍋爐溫度控制硬件上進行數(shù)學模型的建立，通過兩點法分析系統(tǒng)的結構和特性來建立其數(shù)學模型，利用ITAE二次優(yōu)化控制算法對所建立的數(shù)學模型進行控制，得出其參數(shù)，并在MATLAB/Simulink上仿真，最后利用力控軟件來和PCI1711板卡來進行組態(tài)，得出控制曲線。主要工作和取得成果如下：</p><p>　　1）根據(jù)實驗室

94、現(xiàn)在的實驗設備A3000系統(tǒng)中的鍋爐溫度進行數(shù)學模型的建立，模型的建立結果是一個時滯系統(tǒng)，其具有一個慣性環(huán)節(jié)，這樣可以更接近于現(xiàn)實的系統(tǒng)，并利用MATLAB進行數(shù)據(jù)的擬合，得出特性曲線。利用一般的兩點法來計算前面已經建立的模型的參數(shù)。</p><p>　　2)對時滯系統(tǒng)的算法進行仿真對比分析，發(fā)現(xiàn)ITAE二次優(yōu)化算法對時滯系統(tǒng)控制比PID等控制得好，各項性能指標都在可期望范圍內，這個得出的結論為后續(xù)的現(xiàn)實驗做準備

95、，即采用二次優(yōu)化算法控制時滯系統(tǒng)。</p><p>　　3）利用力控軟件來和PCI1711板卡完成了鍋爐溫度控制實驗，得到了相關的實驗曲線，從實驗效果可以得到ITAE控制算法控制的系統(tǒng)是比較成功的，具有穩(wěn)定性、抗干擾性、魯棒性好的特點。</p><p>　　本文進行ITAE控制的算法實驗只在鍋爐溫度上進行了實驗，以后的研究范圍可以擴展到雙容時滯系統(tǒng)和非線性大時滯系統(tǒng)的優(yōu)化控制中去；由于受控

96、對象的特性參數(shù)常常是不斷改變的，進一步的研究可以從設計自動調整ITAE控制器方面入手，使控制系統(tǒng)成為ITAE最優(yōu)控制策略與神經網(wǎng)絡參數(shù)辨識的自適應控制系統(tǒng)，全面提高控制性能；在能源供應越來越緊缺，對環(huán)境指標越來越苛刻的年代，計算控制系統(tǒng)的能耗，必然也要提到日程上來，這個也是以后可以進行研究的一個方向。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　

97、[1] 邵裕森. 過程控制系統(tǒng)及儀表. 機械工業(yè)出版社 ，1994</p><p>　　[2] 薛定宇、陳陽泉。 基于MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術與應用. 清華大學出版社，2002.</p><p>　　[3] 項國波. 時滯系統(tǒng)優(yōu)化控制. 北京：中國電力出版社，2008</p><p>　　[4] 孫洪程等. 過程控制工程.

98、北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[5] 金以慧. 過程控制. 北京：清華大學出版社，2003</p><p>　　[6] 北京華晟高科教學儀器有限公司. A3000過程控制實驗系統(tǒng)使用說明和產品維護</p><p>　　北京：北京華晟高科教學儀器有限公司，2004</p><p>　　[7] 王錦標. 計算機控制系

99、統(tǒng). 北京：清華大學出版社，2001</p><p>　　[8] 吳勤勤. 控制儀表與裝置. 化學工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[9] Rosenwasser, Efim. Computer controlled systems. Springer, 2000</p><p>　　[10] Math Works. Matlab User’s Guide

100、, 1977</p><p>　　[11] The Mathworks. Inc Simulink User’s Guide, 1955</p><p>　　[12] D’Azzo, John Joachim. Linear Control System Analysis and Design .McGraw-Hill, 1955</p><p><b>

101、　　附錄</b></p><p><b>　　附錄一</b></p><p>　　X-Y-型[e（）≤5%]ITAE最有傳遞函數(shù)參數(shù)集及其性能指標</p><p>　　X-Y-型[e（）≤2%]ITAE最有傳遞函數(shù)參數(shù)集及其性能指標</p><p>　　X-Y-型[e（）≤1%]ITAE最有傳遞函數(shù)參數(shù)集及其

102、性能指標</p><p><b>　　附錄二</b></p><p>　　G(p)=（K/1+Tp），K=1，T=1，L,（0.5, ,10）用G-L型ITAE最優(yōu)傳遞函數(shù)實現(xiàn)的二次優(yōu)化控制系統(tǒng)性能指標</p><p><b>　　附錄三</b></p><p><b>　　控制策略模塊功

103、能</b></p><p>　?。?）數(shù)據(jù)庫輸入變量</p><p>　　功能： 把實時數(shù)據(jù)庫中的變量作為一個其它運算的一個輸入。</p><p><b>　　參數(shù)： </b></p><p><b>　　沒有輸入，一個輸出</b></p><p><b&g

104、t;　　輸出： </b></p><p>　　（2）數(shù)據(jù)庫輸出變量</p><p>　　功能：把運算的結果輸出到實時數(shù)據(jù)庫的一個點參數(shù)中。</p><p><b>　　一個輸入，沒有輸出</b></p><p><b>　　輸入： </b></p><p>　?。?/p>

105、3）ADD(加法)功能塊</p><p>　　功能：把兩個操作數(shù)相加。Result = in1 + in2</p><p><b>　　三個輸入，一個輸出</b></p><p><b>　　輸入： </b></p><p><b>　　輸出：</b></p>&

106、lt;p>　?。?）SUB（減法）功能塊：</p><p>　　功能：把兩個操作數(shù)相減。Result = in1 - in2</p><p><b>　　三個輸入，一個輸出</b></p><p><b>　　輸入：</b></p><p><b>　　輸出：</b>&l

107、t;/p><p><b>　　乘法</b></p><p>　　功能：把兩個操作數(shù)相乘。Result = in1 * in2 </p><p><b>　　三個輸入，一個輸出</b></p><p><b>　　輸入： </b></p><p><b&

108、gt;　　輸出： </b></p><p>　　TRANS（一階傳遞函數(shù)）功能塊：</p><p>　　功能：該點是計算一個一階傳遞函數(shù)Y（s）/ U（s） = （C+Ds）/（A+Bs）</p><p><b>　　參數(shù)：</b></p><p>　　在該環(huán)節(jié)之前加一個一拍三角保持器，經過變換后得到：<

109、;/p><p>　　X(k+1) = E*X(k) + F*U(k) + G*U(k-1)</p><p>　　Y(k+1) = H*x(k+1) + L* U(k) + P *U(k-1)</p><p>　　注意：如果給定的參數(shù)A，B同時為0，則在計算時自動令B = 1。</p><p><b>　　致謝</b><

110、/p><p>　　在此論文設計撰寫過程中，要特別感謝我的導師彭宇寧的指導與督促，彭老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)的工作作風使我受益匪淺，沒有彭老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。</p><p>　　感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。</p><p>　　謝謝我的父母，沒有他們辛