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四容水箱过程控制装置设计与实现

四容水箱过程控制装置设计与实现

作者：赵一博北方工业大学

学位级别：硕士

由于目前理论上的研究尚缺乏在实际应用中的检验,新的科研成果一旦运用到生产实际就难免出现这样或那样的问题,致使在实际工业生产过程中应用先进的控制理论研究成果受到了很大的限制。因此根据过程控制中典型对象的特性,开发一套用以... 详细信息

由于目前理论上的研究尚缺乏在实际应用中的检验,新的科研成果一旦运用到生产实际就难免出现这样或那样的问题,致使在实际工业生产过程中应用先进的控制理论研究成果受到了很大的限制。因此根据过程控制中典型对象的特性,开发一套用以检验理论研究成果的实验装置具有很高的现实意义。同时,为使自动化相关专业学生专业课学习期间得到更多实践锻炼的机会,使他们对自己所学的知识能有更好的认识和理解。由此根据学术理论研究需要及自动化相关专业教学特点,开发了四容水箱过程控制实验装置。本实验装置包括一个典型的过程控制对象——四容水箱,在该典型的工业过程对象的基础上,构建了工业上常用的PLC现场总线控制系统,而且利用OPC的通讯技术把Matlab与PLC/HMI工业控制系统进行了集成,使得一些先进的系统辨识技术和先进的计算机控制技术可以轻松的应用在工业控制系统中,实现了基于Matlab/simulink的实时的网络化控制。该实验装置系统上层采用装有Matlab、WinCC等软件的计算机,用以实现对液位的监控及优化控制计算等;采用西门子公司的中档型S7-300PLC为控制器,模拟量扩展模块实现对底层设备模拟量的采集与控制。针对四容水箱过程控制实验装置的特点,以装置系统包括的典型过程控制对象——四容水箱为被控对象,根据伯努利方程建立了四容水箱的机理模型并通过系统辨识确定了模型中的各个参数;研究了多变量内模PID控制算法及预测控制算法在四容水箱液位控制中的应用,内模PID控制既具有内模控制的优势,同时保持了PID控制器结构简单的特点,预测控制在多变量控制方面也具有特有的优势。该实验装置面向本科生／研究生的教学和科研,作为能力创新平台,它提供了多种新颖的实验课程,可以实现多种复杂算法,如PID控制,模型预测控制,神经网络控制,模糊控制等。同时,利用该实验装置,用户可以方便的扩展各种实验,进行深层次的科学研究,自行设计和实现各种控制策略。该系统可以作为《自动控制原理》、《计算机控制系统》、《过程控制》、《过程辨识》、《现代控制理论》《智能控制》、自动控制课程设计、毕业设计、创新设计竞赛等课程的实验平台。

关键词：四容水箱多变量控制内模PID 预测控制

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四容水箱的自抗扰控制器设计

四容水箱的自抗扰控制器设计

作者：贺庆北方工业大学

学位级别：硕士

本文研究了四容水箱实验装置自抗扰控制器（ADRC）的设计问题。首先介绍了自抗扰控制器的控制结构、各组成部分及其工作原理,并利用Matlab/Simulink的S-Function工具开发了ADRC模型库,实现了ADRC的各个组成部分（包括过渡过程TD、状态... 详细信息

本文研究了四容水箱实验装置自抗扰控制器（ADRC）的设计问题。首先介绍了自抗扰控制器的控制结构、各组成部分及其工作原理,并利用Matlab/Simulink的S-Function工具开发了ADRC模型库,实现了ADRC的各个组成部分（包括过渡过程TD、状态误差反馈SEF、扩张状态观测器ESO等）的模块化,可以方便地进行自抗扰控制器的仿真研究,同时通过大量仿真实验,总结出一组单变量自抗扰控制器的参数整定规律。搭建了网络化四容水箱控制系统实验装置,该实验装置利用OPC技术实现了与Matlab/Simulink的无缝连接,可以直接通过Simulink的组态对水箱对象进行实时控制。利用系统辨识得到了单容水箱、双容水箱和四容水箱被控对象的系统模型,并分别针对上述模型和实际对象进行了仿真研究和实时控制,研究结果表明,自抗扰控制器在仿真研究中具有很好的控制性能和跟踪能力以及优越的多变量解耦能力,而在实际的对象控制中,由于实际对象模型参数的时变性和不确定性、控制阀门的非线性以及ADRC对采样周期等参数的敏感性,需要进行比较多的的分析和调试工作,一旦取得合适的参数,也能取得不错的控制效果。本文的研究对自抗扰控制器在过程控制领域的设计具有一定的参考作用和实用价值,有助于进一步推动自抗扰控制技术在工业生产过程中的实际应用。

关键词：过程控制自抗扰控制器四容水箱系统辨识

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四容水箱先进控制软件开发

四容水箱先进控制软件开发

作者：杨震安北方工业大学

学位级别：硕士

四容水箱是北方工业大学现场总线技术及自动化北京市重点实验室的一个典型的多变量非线性过程装置。它是一个可用于验证许多控制理论问题的benchmark平台,可以方便地实现非线性、多变量、相位可调等过程对象的实验。研究该对象在工业环... 详细信息

四容水箱是北方工业大学现场总线技术及自动化北京市重点实验室的一个典型的多变量非线性过程装置。它是一个可用于验证许多控制理论问题的benchmark平台,可以方便地实现非线性、多变量、相位可调等过程对象的实验。研究该对象在工业环境中的控制问题及软件实现对于实际工业过程对象的控制有着十分重要的意义。尤其针对非线性多变量等控制难点,本论文研究了四容水箱对象的多变量预测控制和分段仿射模型辨识及控制等先进控制算法,实现了独立于MATLAB仿真环境的实时的先进控制软件。本论文实现了四容水箱的状态空间模型辨识和多变量预测控制算法,得到了较好的控制效果。尤其针对以四容水箱为典型对象的一类非线性、多变量的工业过程,提出了一种基于数据驱动的多输入多输出分段仿射模型辨识方法和基于多参数规划的实时非线性预测控制方法。该方法采用高维数据空间的聚类划分方法,成功实现了MIMO形式的分段仿射含输入自回归（PWARX）模型的辨识;利用混杂系统的HYSDEL建摸语言及其编译器工具,将得到的MIMO-PWARX模型转化成非线性的分段仿射（PWA）模型,采用多参数规划的方法,设计基于PWA模型的预测控制器。该方法实现了从过程数据中挖掘出系统的分段仿射模型的信息,自动生成复杂过程的PWA模型,并实现了实时的非线性预测控制。并将该方法与基于普通线性模型的预测控制方法的效果进行了比较,优势明显。最后基于MATLAB强大的算法设计和数值计算能力,将先进控制单步算法用Matlab实现并编译为.NET组件,在.NET环境下真实实现脱离Matlab环境的先进控制软件。通过OPC的通信方式,用该软件在实际工业环境下对四容水箱实现了预测控制等先进控制方法,效果理想。该方法的成功实现给复杂工业对象的实时先进控制方法及软件设计提供了重要的思路和借鉴。

关键词：四容水箱分段仿射（PWA）预测控制先进控制软件

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四容水箱神经网络预测控制

四容水箱神经网络预测控制

作者：何迪北方工业大学

学位级别：硕士

在现代的工业实际控制中,经常会遇到具有未知模型的对象,这类对象大多具有多变量和强耦合的特点,有的还具有大时滞的特点。四容水箱是一种典型的具有非线性、时滞以及强耦合的系统,它能够很好的模拟工业的复杂对象。本文针对四容水箱的... 详细信息

在现代的工业实际控制中,经常会遇到具有未知模型的对象,这类对象大多具有多变量和强耦合的特点,有的还具有大时滞的特点。四容水箱是一种典型的具有非线性、时滞以及强耦合的系统,它能够很好的模拟工业的复杂对象。本文针对四容水箱的机理模型研究了其控制问题,提出了带有模糊解耦的神经网络预测控制策略。首先,介绍了基于神经网络的广义预测控制的理论和NGPC算法的结构,其中应用收敛速度较快,精确度较高的LM算法训练神经网络,推导了神经网络的导数方程,然后用迭代法求解输入u的雅克比矩阵和海森矩阵,继而用Newton-Raphson算法求解u。其次,介绍了模糊控制的基本理论和模糊前馈解耦,给出了具体的解耦策略框图,提出了模糊解耦输出系数和模糊解耦作用系数,然后根据四容水箱的结构特点,列出两个等式,推导了这两个系数的计算方法使其可以进行在线计算。最后进行了针对四容水箱机理模型的控制实验,并就控制结果进行了对比分析。实验结果表明,带有模糊解耦的神经网络预测控制得这种控制策略,在对具有多变量、强耦合以及时滞的四容水箱进行控制时取得了较好的效果。调节时间短,过程无明显震荡,终值稳定。设定点可调范围大且改变设定点时无需更改系统中任何参数,系统人工干预小,具有很强的鲁棒性。

关键词：神经网络广义预测控制模糊解耦四容水箱

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相平面分区法在四容水箱液位控制中的应用

计算机与应用化学 2012年第9期29卷 1115-1118页

作者：李艳坡潘丰江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室江苏无锡214122

当四容水箱系统包含非最小相位零点时,基于模型的控制策略的液位控制效果不理想,因此本文提出了更为实用的相平面分区法。它能直接根据当前的误差和误差变化率计算出与此相适应的控制量,不需要对系统建模,具有很强的抗干扰性,适合于对... 详细信息

当四容水箱系统包含非最小相位零点时,基于模型的控制策略的液位控制效果不理想,因此本文提出了更为实用的相平面分区法。它能直接根据当前的误差和误差变化率计算出与此相适应的控制量,不需要对系统建模,具有很强的抗干扰性,适合于对耦合系统进行控制;同时针对多容水箱的时滞问题,通过加入微分反馈,抑制了时滞引起的超调。仿真结果表明,该策略2个液位控制回路的累积误差比动态矩阵控制法分别减少11%和12%,比改进的解耦法分别减少20%和38%。

关键词：相平面分区控制微分反馈四容水箱

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多变量四容水箱控制系统实验装置的设计

制造业自动化 2013年第10期35卷 122-125页

作者：李志军贺庆郭富民北方工业大学现场总线及自动化重点实验室北京100144

设计开发了多变量四容水箱控制系统实验装置,该被控对象具有多输入多输出、非线性、时滞性、耦合性等特点。装置采用超声波传感器检测液位值,直流水泵作为执行机构,采用西门子S7-300系列PLC及其AI、AO模块搭建了本地闭环控制系统。同时... 详细信息

设计开发了多变量四容水箱控制系统实验装置,该被控对象具有多输入多输出、非线性、时滞性、耦合性等特点。装置采用超声波传感器检测液位值,直流水泵作为执行机构,采用西门子S7-300系列PLC及其AI、AO模块搭建了本地闭环控制系统。同时利用OPC技术建立了MATLAB/Simulink与PLC的通信连接,从而使用户能够在Simulink平台上设计控制策略,对液位值进行实时控制。该装置不仅解决了目前过程控制实验室缺乏复杂被控对象的瓶颈,同时借助于功能丰富的Simulink环境及其工具箱给相关的科研和教学人员提供了很好的操作平台,方便其验证和设计各种先进复杂控制算法。

关键词：四容水箱实验装置双输入双输出 PID解耦

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非线性四容水箱预测控制研究

自动化与仪表 2012年第7期27卷 38-41页

作者：赵一博北京矿冶研究总院北京100070

根据工业现场实际控制中实现预测控制的困难,提出了利用OPC通讯技术把Matlab与PLC/HMI工业控制系统进行集成,并实现预测控制的方案。文中还针对非线性四容水箱系统建立了机理模型,并通过在线辨识获得四容水箱模型的未知参数,从而对水箱... 详细信息

根据工业现场实际控制中实现预测控制的困难,提出了利用OPC通讯技术把Matlab与PLC/HMI工业控制系统进行集成,并实现预测控制的方案。文中还针对非线性四容水箱系统建立了机理模型,并通过在线辨识获得四容水箱模型的未知参数,从而对水箱液位进行控制。实际控制结果表明,预测控制能够很好地使水箱液位跟踪设定值,验证了该控制策略的可行性及有效性。

关键词：四容水箱多变量控制预测控制

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部分分散控制及其在四容水箱中的应用

部分分散控制及其在四容水箱中的应用

作者：于海芬华北电力大学

学位级别：硕士

对于实际工业多变量系统而言,先进的多变量控制算法通常存在结构较复杂、算法难以实现等缺点,一般首选的控制方法是分散控制,主要是考虑它的结构简单、参数易整定、便于工程实际应用,但较难满足高性能要求。部分分散控制方法主要是从控... 详细信息

对于实际工业多变量系统而言,先进的多变量控制算法通常存在结构较复杂、算法难以实现等缺点,一般首选的控制方法是分散控制,主要是考虑它的结构简单、参数易整定、便于工程实际应用,但较难满足高性能要求。部分分散控制方法主要是从控制器结构优化到控制算法的优化过程,是在好的控制结构上用简单的控制算法达到最后的控制目标。部分分散控制是在完全分散控制和多变量控制之间折中的一种方法,希望用相对比较简单的控制器最终获得令人满意的控制品质。所以如何将部分分散控制应用到多变量系统上有其重要的理论和实际价值。本文首先研究了部分分散控制相关理论与方法。在控制结构选取方面,采用基于Gramian能控能观矩阵确定部分分散控制结构;在控制器设计方面,研究了部分分散控制的扩展-收缩方法,对象扩展后可以采用内模控制和预测控制来设计处理非方结构,然后将设计得到的非方控制器可以进一步转换为部分分散控制器的结构形式。随后,本文研究了四容水箱这一典型的两输入两输出的系统,分析了它的结构特点和动态特性。针对四容水箱最小相位和非最小相位两种典型的情况,采用内模和预测控制两种方法分别设计了部分分散控制器,并进行了仿真比较。结果表明部分分散控制具有比完全分散控制更好的性能,同时与多变量控制的性能品质相接近,但它却具有结构简单的优点。最后,本文在网络化四容水箱装置上设计了部分分散控制器,并进行了实验验证。实验结果表明部分分散控制器可以实现一定程度的解耦,同时获得比较满意的控制性能和品质,可以尝试推广到实践应用。

关键词：多变量系统模型部分分散控制结构非方对象模型四容水箱 MATLAB

递归神经网络优化算法及其在四容水箱中的应用研究

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递归神经网络优化算法及其在四容水箱中的应用研究

作者：徐静西南大学

学位级别：硕士

十九世纪后期,Hopfield和Tank提出利用人工神经网络解决优化问题,为人工神经网络的探索进程开辟了新的研究途径。自此之后,神经网络优化问题的研究及其应用成为热点。现如今优化问题广泛的应用在函数逼近、信号处理、图像存储、参数估... 详细信息

十九世纪后期,Hopfield和Tank提出利用人工神经网络解决优化问题,为人工神经网络的探索进程开辟了新的研究途径。自此之后,神经网络优化问题的研究及其应用成为热点。现如今优化问题广泛的应用在函数逼近、信号处理、图像存储、参数估计、机械控制等方面。因为计算解的时间与问题的结构以及算法复杂度息息相关,所以传统的数值优化算法效果欠佳。然而,人工神经网络具有自适应性、并行性,利用其解决优化问题在近些年取得了很好的效果。因此,不论在理论还是在实际工程应用中,对于此类解决优化问题的神经网络稳定性的研究都具有非凡的意义。基于以上问题,本文以凸优化理论、全局指数稳定性理论为基础,进一步研究了如何利用神经网络优化四容水箱应用问题。具体的研究内容和创新之处总结如下:1.利用模型预测控制策略,四容水箱问题被确切地阐述为一个带约束的优化问题,基于Lagrangian乘数法、投影方法,并且应用鞍点定理,提出了一类离散递归神经网络模型来优化四容水箱问题。相对于其他四容水箱问题的优化,我们提出的离散递归神经网络具有结构简单,易于硬件实现的优点。另外,还针对所提出的离散递归神经网络设计了一个能更好展现其特点的简单电路模型。理论验证了我们提出的神经网络优化算法,很好地消除了四容水箱问题的状态误差和控制误差,使其达到稳定。2.利用KKT条件,建立了一类具有离散激活函数的单层递归神经网络模型来优化四容水箱问题。我们通过提出的单层递归神经网络优化算法,消除这个被确切阐述的四容水箱问题的状态误差和控制误差,使系统达到稳定。同时,理论结果证明本文针对四容水箱优化问题提出的单层递归神经网络是全局稳定的。

关键词：递归神经网络优化四容水箱全局指数稳定投影算子