a3000時(shí)滯系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究畢業(yè)論文

1、<p>　　A3000時(shí)滯系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　時(shí)滯系統(tǒng)是一個(gè)難控系統(tǒng)，因?yàn)樗氖芸貙?duì)象具有無(wú)窮維空間。為了解決這一難題，先后經(jīng)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(duì)象的維數(shù)明顯有差別。因此，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，時(shí)滯系統(tǒng)的優(yōu)化控制成為人們長(zhǎng)

2、期研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文基于北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司提供的自動(dòng)化過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)A3000中的鍋爐滯后管出口溫度作為研究對(duì)象，進(jìn)行機(jī)理建模分析和實(shí)驗(yàn)建模分析，由于此對(duì)象具有大時(shí)滯特點(diǎn)，故采用ITAE二次優(yōu)化控制作為整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化算法，確定系統(tǒng)控制方案，并在MATLAB/Simulink上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其可行性和魯棒性，并與傳統(tǒng)的PID控制比較，結(jié)果表明，應(yīng)用ITAE優(yōu)化的理論，不僅能使設(shè)計(jì)出對(duì)控制信號(hào)而言具有快速平穩(wěn)優(yōu)良的性能指標(biāo)

3、，而且該系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)擾動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)都有強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，控制組態(tài)和顯示組態(tài)，編寫(xiě)控制策略、腳本程序，并對(duì)溫度時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)與參數(shù)整定，使系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)都能在期望的范圍內(nèi)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：時(shí)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(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究綜述2</p><p>　　1.3研究?jī)?nèi)容與安排3</p><p>　　第2章 鍋爐時(shí)滯系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與分析4</p><p>　　2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.1.1 A3000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)4</p><p>　　2.1.2鍋爐控制對(duì)象6</p>

9、<p>　　2.2系統(tǒng)特性的辨識(shí)8</p><p>　　2.2.1傳遞函數(shù)辨識(shí)方法介紹8</p><p>　　2.2.2數(shù)學(xué)模型的建立9</p><p>　　2.3本章小結(jié)10</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的控制算法11</p><p>　　3.1時(shí)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(biāo)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(gòu)造22</p><p>　　3.4 本章小結(jié)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(kù)組態(tài)25</p><p>　　4.3應(yīng)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(xiě)29</p

12、><p>　　4.5顯示組態(tài)30</p><p>　　4.6實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線及分析31</p><p>　　4.7本章小結(jié)31</p><p>　　第5章 結(jié)論與展望33</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(fù)雜的工業(yè)過(guò)程當(dāng)中,廣泛地存在著時(shí)滯現(xiàn)象。由于時(shí)滯的存在,使得被控量不能及時(shí)地反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng),從而產(chǎn)生明顯的超調(diào),使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差,調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng),對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制增加了很大的困難。</p><p&g

15、t;　　時(shí)滯系統(tǒng)輸出的趨勢(shì)不僅依賴于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，也依賴于過(guò)去某一時(shí)刻或若干時(shí)刻的狀態(tài)，這種特性使得控制的方法更加復(fù)雜。在有限的控制系統(tǒng)中，已經(jīng)有相當(dāng)多的理論成果，可供自動(dòng)化工程師門(mén)選用。但在無(wú)限維控制系統(tǒng)中，時(shí)滯系統(tǒng)最優(yōu)化控制始終是一個(gè)可望而不可及的目標(biāo)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)無(wú)限維受控對(duì)象的優(yōu)化控制，首先，測(cè)量它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的觀察器，應(yīng)該是無(wú)窮維的；其次，它的控制器也應(yīng)該是無(wú)窮維的。用物理方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)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(duì)被控對(duì)象特性參數(shù)準(zhǔn)確性的依賴，減少調(diào)節(jié)參數(shù)的個(gè)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(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，稱為為一次優(yōu)化，后回到真實(shí)的時(shí)滯因子，再用計(jì)算機(jī)仿真尋找控制器的優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了有限維，但不限于三維，對(duì)無(wú)窮維對(duì)象的滿意控制。在建材、制藥和造紙等工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程都存在著時(shí)滯現(xiàn)象，這類生產(chǎn)過(guò)程、物料、能源從一端輸

17、入，要經(jīng)過(guò)一些管道，或者皮帶傳輸才能到達(dá)另一端，并在輸送的過(guò)程中，逐步被加工成產(chǎn)品。在這些過(guò)程中太大的溫度、壓力和物料的波動(dòng)，不僅能耗大，而且嚴(yán)重影響產(chǎn)品指令，因此研究時(shí)滯系統(tǒng)有效優(yōu)化控制具有重要的理論和實(shí)際意義。</p><p>　　1.2時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究綜述</p><p>　　半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們最初用PID控制，這是因?yàn)镻ID控制器具有調(diào)節(jié)規(guī)律簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于實(shí)現(xiàn)而且PI

18、D控制應(yīng)用于較多方面等特點(diǎn)。但滯后系統(tǒng)由于時(shí)間滯后特性的存在，控制作用不能及時(shí)反映到被控對(duì)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(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而造成調(diào)節(jié)質(zhì)量大幅下降。而會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)量和較長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使過(guò)渡過(guò)程變壞，系統(tǒng)性能指標(biāo)降低，最終效果并不理想。后來(lái)相繼發(fā)展了智能PID、自適應(yīng)PID、模糊控制PID等，都不能實(shí)現(xiàn)時(shí)滯系統(tǒng)的最優(yōu)化控制。這是因?yàn)镻ID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(wú)窮維控制器。退一步來(lái)講，即使控制器變成無(wú)窮維，而觀察器只有有限維，依然是不可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。</p><p>　　劉永清教授曾經(jīng)用二次型優(yōu)化控制和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法，在無(wú)窮維空間內(nèi)尋求優(yōu)化控制，但得到的控制方程仍然無(wú)解。這是因?yàn)樵诳刂破鞣匠讨校扔谐绊?xiàng)，又有滯后項(xiàng)，用解析法，目前是無(wú)法解答的。</p><p>　　1957年，Smith首次提出針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的預(yù)估控制方法，該方法的思路是：用

20、補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ裏o(wú)窮維因子后，無(wú)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(shè)計(jì)它的控制器參數(shù)。從理論上分析,Smith預(yù)估器可以完全消除時(shí)滯的影響,從而成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中卻不盡人意,主要原因在于:Smith預(yù)估器需要確知被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而且它只能用于定常系統(tǒng)。這一條件事實(shí)上相當(dāng)苛刻,因而影響了Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。</p>

21、<p>　　在工程上較為實(shí)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(guó)工程界學(xué)者所廣泛采用。自1992年起，我國(guó)學(xué)者項(xiàng)國(guó)波教授及他的學(xué)生也用定常ITAE控制律去研究單容時(shí)滯系統(tǒng)優(yōu)化控制時(shí)，取得了滿意的效果，但在研究雙容時(shí)滯系統(tǒng)優(yōu)化控制時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用G-L型控制律存在一些缺陷，并開(kāi)發(fā)了X-Y型的ITAE最優(yōu)控制律。</p><p>　　1.

22、3研究?jī)?nèi)容與安排</p><p>　　本文圍繞A3000裝置鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行特性辨識(shí)，系統(tǒng)建模、控制算法的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)、力控組態(tài)等內(nèi)容展開(kāi)。具體內(nèi)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(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了研究分析，并在此過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)操作。在MAT

23、LAB上進(jìn)行了描點(diǎn)，得到系統(tǒng)的特性曲線，用兩點(diǎn)法進(jìn)行取點(diǎn)建立了鍋爐時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(shí)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(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用MATLAB/Simulink進(jìn)行了控制算法的方真，比較各個(gè)算法系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀枚蝺?yōu)化控制算法進(jìn)行了系統(tǒng)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，并在MATLAB軟件

24、上對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)仿真。</p><p>　　第四章將系統(tǒng)在力控軟件上進(jìn)行I/O組態(tài)，顯示組態(tài)，并編寫(xiě)了腳本程序和控制策略，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，得到了系統(tǒng)實(shí)時(shí)曲線和相關(guān)結(jié)論。</p><p>　　第2章 鍋爐時(shí)滯系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與分析</p><p><b>　　2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　2.1.1 A30

25、00實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　A3000 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)（A3000-FS和A3000-FBS）包含兩個(gè)支路。支路1有1#水泵，換熱器，鍋爐，還可以直接注水到三個(gè)水箱以及鍋爐。支路2有2#水泵，壓力變送器，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，三個(gè)水箱，還有一路流入換熱器進(jìn)行冷卻，如圖2-1所示。</p><p>　　支路1包括左邊水泵，1#流量計(jì)，電磁閥等組成，可以到達(dá)任何一個(gè)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(gè)溫度傳感器，可以做溫度滯后實(shí)驗(yàn)。鍋爐內(nèi)有高、低限兩個(gè)液位開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)鍋爐內(nèi)液位低于低限液位開(kāi)關(guān)時(shí)，液位開(kāi)關(guān)打開(kāi)，加熱器無(wú)法開(kāi)啟。當(dāng)液位超過(guò)它時(shí)，液位開(kāi)關(guān)合上，加熱器信號(hào)連通，因此可以防止加熱器干燒。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐中加熱器輸入電壓來(lái)對(duì)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(jìn)行冷卻。為了保證模型的準(zhǔn)確性，即防止儲(chǔ)水箱中的熱水回到鍋爐帶入附加的熱量，影響調(diào)壓器正常輸出，所以要將滯后管排出的熱水導(dǎo)出，向儲(chǔ)水箱加入冷水。同時(shí)為了保證工作點(diǎn)穩(wěn)定，還要在建立一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)控制液位在一個(gè)固定高度。可編一個(gè)傳統(tǒng)PID對(duì)鍋爐液位進(jìn)行控制。</p><p>　　圖2-1 A3000現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</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(gè)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(gè)部分設(shè)計(jì)在一個(gè)工業(yè)柜子中，開(kāi)放性極強(qiáng)。一個(gè)前門(mén)，保證了設(shè)備防塵、散熱等需要。</p><p>　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，布線完全按照工業(yè)要求，整齊、可靠。</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所2-2示。左邊是機(jī)柜布置簡(jiǎn)圖，右邊是各個(gè)控制系統(tǒng)的半模擬屏簡(jiǎn)圖。</p><p&g

29、t;　　圖2-2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.2鍋爐控制對(duì)象</p><p>　　鍋爐滯后管實(shí)驗(yàn)對(duì)象如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 鍋爐滯后管實(shí)驗(yàn)對(duì)象</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)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(kāi)，其余閥門(mén)關(guān)閉。</p><p>　　2、按照測(cè)量列表連線，具體的接線方式如表2-1所示。</p><p>　　3、打開(kāi)A3000電源，在 A3000-FS 上，啟動(dòng)左邊水泵，給鍋爐注水到大概 30cm 高度（液位計(jì)顯示的水位高度）。啟動(dòng)上位機(jī)，給系統(tǒng)加一個(gè)階躍，開(kāi)始記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　4、為使液位保持在一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定位置

31、，在加熱過(guò)程中保持左邊水泵啟動(dòng)，這樣左邊可以形成水循環(huán)回路。 </p><p>　　5、得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。關(guān)閉閥門(mén)，關(guān)閉水泵。關(guān)閉全部電源設(shè)備，拆下實(shí)驗(yàn)連接線。</p><p>　　表2-1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與控制端連線</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件上畫(huà)出曲線，所得的曲線如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-

32、4 系統(tǒng)測(cè)得的特性曲線</p><p>　　2.2系統(tǒng)特性的辨識(shí)</p><p>　　2.2.1傳遞函數(shù)辨識(shí)方法介紹</p><p>　　傳遞函數(shù)辨識(shí)的時(shí)域方法包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法和矩形脈沖響應(yīng)法等，其中以階躍響應(yīng)法最為常用。階躍響應(yīng)法利用階躍響應(yīng)曲線對(duì)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，階躍響應(yīng)曲線即輸入量作階躍變化時(shí)，系統(tǒng)輸出的變化曲線。在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的辨識(shí)中，

33、階躍響應(yīng)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(duì)象。否則，系統(tǒng)稱為無(wú)自衡對(duì)象，輸出無(wú)限制地?cái)U(kuò)大或縮小，說(shuō)明系統(tǒng)至少具有一個(gè)純積分環(huán)節(jié)。若實(shí)驗(yàn)飛升曲線是一條S型非周期曲線，則它的數(shù)學(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)與延時(shí)環(huán)節(jié)的組合來(lái)近似，如圖所示。</p><p>　　圖2-5帶延時(shí)的一階環(huán)節(jié)的飛升曲線</p>

34、<p>　　對(duì)于S型曲線，常有以下兩種方法處理：</p><p><b>　?。?）切線法</b></p><p>　　這是一種比較簡(jiǎn)單的方法，即通過(guò)圖中響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)D作一條切線，在時(shí)間軸上的交點(diǎn)即為滯后時(shí)間τ，與線的交點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影即為時(shí)間常數(shù)T，對(duì)象的放大倍數(shù)K與上面的無(wú)延時(shí)的一階慣性對(duì)象的計(jì)算一樣。</p><p>&

35、lt;b>　?。?）計(jì)算法</b></p><p>　　對(duì)具有純滯后的一階慣性對(duì)象的傳遞函數(shù)的求取，由于采用（1）的切線法時(shí)，因拐點(diǎn)和切線的斜率不易確定，故常常采用計(jì)算法來(lái)求取，其中最常用到的就是兩點(diǎn)法和曲線擬合的方法。</p><p>　　已知一階慣性延時(shí)函數(shù)可以表示為：，這里面有3個(gè)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(shí)的值，表示系統(tǒng)所加的階躍幅值。</p><p>　　曲線的標(biāo)么值： </p><p>　　0 0t＜τ</p><p><b>　　τt</b></p><p>　　選兩個(gè)時(shí)刻和且 > >τ有</p><p>&l

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

38、t;　　對(duì)于上面圖2-4所測(cè)得的系統(tǒng)特性，我們采用兩點(diǎn)法來(lái)求它的模型。</p><p>　　觀察圖2-4，實(shí)驗(yàn)所給予系統(tǒng)的階躍信號(hào)是從2.5到3.0，每2s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。</p><p>　　在曲線上面取兩個(gè)大于τ的點(diǎn)，點(diǎn)（800，2.983）和點(diǎn)（1128,3.047），而曲線上最大值點(diǎn)為（1361,3.081）</p><p>　　由最大值點(diǎn)和階躍曲線幅值A(chǔ)=

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

40、/p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要了解A3000高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，并對(duì)系統(tǒng)做了特性測(cè)試，在MATLAB上對(duì)其進(jìn)行了擬合處理，用兩點(diǎn)法分析求出了鍋爐時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(shí)滯系統(tǒng)二次優(yōu)化控制原理</p><p>　　時(shí)滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為：</p><p>　　G（p）= （3-1）</p><p>　　式中 K——受控對(duì)象放大系數(shù)；</p><p>　　L——實(shí)時(shí)時(shí)滯常數(shù)；</p><p>　　P——實(shí)時(shí)微分

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

43、 （3-3）</p><p>　　由于“任何一個(gè)物理系統(tǒng)都是耗散系統(tǒng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，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(zhǎng)時(shí)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(shí)情況”</p><p>　　也即是說(shuō)：L足夠小，i足夠大時(shí)，就變成無(wú)關(guān)要緊的小量了，高次冪

44、項(xiàng)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(zhǎng)期在這一領(lǐng)域中，得到廣泛應(yīng)用的主要原因，因此用有限維數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　來(lái)逼近無(wú)窮維因子是合理的，稱它為階分時(shí)模型。</p><p>　　=1時(shí)，稱它為一階分時(shí)模型，這時(shí)式子取</p><

45、p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　=1時(shí)的二次優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)=，則 （3-6）</p><p>　　上式是一個(gè)二階定常受控對(duì)象，為了把它綜合成位移無(wú)靜差I(lǐng)TAE最優(yōu)控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中至少得有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，/p，為待定的參數(shù)。</p><p&g

46、t;　　圖3-1 =1時(shí)的單容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為式子 （3-6）受控對(duì)象串聯(lián)一個(gè)積分后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，相應(yīng)的開(kāi)、閉環(huán)傳度函數(shù)分別為</p><p><b>　?。?-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(gè)，根據(jù)ITAE最優(yōu)可綜合原則，至少要增加兩個(gè)獨(dú)立可控量，維了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)采用狀態(tài)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)第一次優(yōu)化。于是，便有下圖3-2所示的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3-2 用狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)=1時(shí)的位移無(wú)靜差I(lǐng)TAE最優(yōu)控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　下面確定圖3-2中控制器的三個(gè)參數(shù)，，。</p><p>　　圖2中系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為<

48、;/p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　令</b></p><p><b>　?。?-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(wú)靜差I(lǐng)TAE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(gè)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(wú)窮維因子，這時(shí)狀態(tài)反饋陣傳遞函數(shù)為</p><p><b>　

51、?。?-16）</b></p><p><b>　　對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p>　　圖3-3 =1時(shí)純時(shí)滯系統(tǒng)具有無(wú)窮維狀態(tài)反饋控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（3-17）</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(jiàn)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(biāo)</p><p>　　評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)用性和選擇性.</p><p&

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

54、/p><p>　　表3-1 幾種優(yōu)化性能指標(biāo)的比較表</p><p>　　實(shí)驗(yàn)表明：=0是6個(gè)指標(biāo)最小的，但是它所確定的系統(tǒng)確實(shí)自振蕩的，根本無(wú)法正常運(yùn)行；而=2.2是性能指標(biāo)中最大的一個(gè)“數(shù)”，但它卻有良好的性能指標(biāo)。</p><p>　　選擇性定義：在最優(yōu)阻尼系數(shù)點(diǎn)的臨域，改變一個(gè)增量，由它引起最優(yōu)性能指標(biāo)的變化，這兩個(gè)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(biāo)選擇性最好，J（ITAE）次之。</p><p>　　綜上所述，在時(shí)滯系統(tǒng)中，同時(shí)符合選擇性和實(shí)用性的指標(biāo)的，J（ITAE）這個(gè)指標(biāo)是比較符合實(shí)際的，所以我們后面討論的品質(zhì)系數(shù)就是根據(jù)這個(gè)指標(biāo)來(lái)比較實(shí)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(gè)難控定義來(lái)衡量。定義</p><p>　　為難控度，通常認(rèn)為時(shí)，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(shè)受控對(duì)象為</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>

57、　　這是一個(gè)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(lái)控制。</p><p><b>　　PID控制方案</b></p><p>　　圖3-4 PID控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3-5 PID階躍響應(yīng)</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(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-7 微分先行控制階躍響應(yīng)</p><p><b>　　中間反饋控制方案</b></p><p>　　圖3-8 中間反饋控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-9 中間反饋控制階躍響應(yīng)</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(zhì)指標(biāo)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(jié)果，中間反饋效果好。</p><p>　　我們?cè)儆懻撚枚蝺?yōu)化控制原理實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制時(shí)的品質(zhì)指標(biāo)。</p><p>　　第一，取四階分時(shí)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(shí) ，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(jié)構(gòu)圖如3-10所示：</

63、p><p>　　圖3-10 受控對(duì)象二次優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)響應(yīng)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(duì)象二次優(yōu)化控制的響應(yīng)</p><p><b>　　圖中，</b></p><p>　　=4.9， =14.16<4

64、L。</p><p>　　（2）采用X-Y-I型ITAE最優(yōu)控制律時(shí)，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(yīng)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(duì)象二次優(yōu)化控制的響應(yīng)</p><p><b>　　圖中，</b></p><p>　　=4.72， =13.22<4L。

67、</p><p>　　比較它們的品質(zhì)指標(biāo)：</p><p>　　G-L型ITAE的品質(zhì)指標(biāo)：=69.38</p><p>　　X-Y-I型ITAE的品質(zhì)指標(biāo)：=62.3984</p><p>　　和前面比較，這兩種采用ITAE控制律的品質(zhì)指標(biāo)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?yàn)門(mén)OC系統(tǒng)是在無(wú)窮維狀態(tài)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化控制，

68、而且由于它們是通過(guò)無(wú)窮維反饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的，因此，抗干擾能力也很強(qiáng)。</p><p>　　3.3控制器參數(shù)構(gòu)造</p><p>　　首先我們先將被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(wú)窮維空間對(duì)其實(shí)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(gòu)造的狀態(tài)觀測(cè)器如圖</p><p>　　圖3-13 狀態(tài)觀測(cè)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(yīng)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(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖3-14 二次優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　運(yùn)行，得仿真結(jié)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(zhì)指標(biāo)：</b></p>&l

73、t;p>　　=0.7，=11.5</p><p><b>　　=8.05</b></p><p>　　由性能指標(biāo)可以看出：二次優(yōu)化控制的控制要比PID控制好，超調(diào)小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)穩(wěn)定作用強(qiáng)。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</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(wú)窮維狀態(tài)空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化控制，且由于它們是通過(guò)無(wú)窮維反饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的，抗干擾能力很強(qiáng)，故本文推崇使用二次優(yōu)化控制算法來(lái)控制時(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)：力控Force control 6.1軟件，

75、A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。</p><p><b>　　4.1 I/O組態(tài)</b></p><p>　?。?） I/O設(shè)備選用的是研華1711數(shù)據(jù)采集卡。設(shè)計(jì)步驟為：進(jìn)入力控主界面，在工程項(xiàng)目窗口雙擊IO設(shè)備組態(tài)選項(xiàng)IO ManagerIO設(shè)備ADVANTECH（研華）研華全系列板卡，I/O設(shè)備組態(tài)如4-1所示</p><p>　　圖4-1

76、 I/O設(shè)備組態(tài)</p><p><b>　　4.2數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)</b></p><p>　　數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)如4-2所示</p><p>　　步驟為：在力控主界面的工程項(xiàng)目窗口雙擊數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)管理窗口，雙擊[點(diǎn)名]欄任意表格，這樣就可以建立數(shù)據(jù)點(diǎn)。我們?cè)跀?shù)據(jù)庫(kù)建立的模擬I/O點(diǎn)：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(diǎn)：TRANS0、TRANS1、 TRANS2、 TRANS3、TRANS4、LIMIT0、PID0.</p><p>　　圖4-2 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)</p><p><b>　　4.3應(yīng)用程序</b>&l

78、t;/p><p>　?。?） 應(yīng)用程序編寫(xiě)的動(dòng)作腳本如圖4-3所示（這是根據(jù)式子3-19編寫(xiě)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(dòng)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(gè)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(gè)集成電路塊，有若干輸入和輸出，每個(gè)輸入和輸出管腳都有唯一的名稱，不同種類的功能塊每個(gè)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(fù)調(diào)用，每次調(diào)用被賦予一個(gè)名字，功能塊的執(zhí)行順序和它在屏幕上的位置相關(guān)，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(xué)運(yùn)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(shè)計(jì)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(shuō)明如下（具體參數(shù)見(jiàn)附錄三）。</p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制功能塊：在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自

84、動(dòng)控制器。</p><p>　　PID參數(shù)的選擇： </p><p>　　數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定可以仿照模擬PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的各種方法，根據(jù)工藝對(duì)控制性能的要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。這里就各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響簡(jiǎn)單加以說(shuō)明。 </p><p>　　①比例系數(shù)P對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)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(diào)節(jié)

85、時(shí)間加長(zhǎng)。P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。P可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果P的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(pv值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況P的符號(hào)就一定要取反。 </p><p>　　②積分控制I對(duì)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(qiáng)）會(huì)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>　?、畚⒎挚刂艱對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　ADD加法功能塊：把兩個(gè)操作數(shù)相加。Result = in1 + in2。</p><p>　　SUB減法功能塊：把兩個(gè)操作數(shù)相減。Result = in1

87、- in2。</p><p>　　MUL乘法功能塊：把兩個(gè)操作數(shù)相乘。Result = in1 * in2。</p><p>　　TRANS功能塊：該點(diǎn)是計(jì)算一個(gè)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(xiě)</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(dòng)化控制軟件，采用符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化編制方式，提供包括變量、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯功能、程序控制、常規(guī)功能、控制回路、數(shù)學(xué)點(diǎn)處理等在內(nèi)的十幾類運(yùn)算塊，內(nèi)置常規(guī)PID、比值控制、開(kāi)關(guān)控制、斜坡控制等豐富的控制算法。同時(shí)提供開(kāi)放的算法接口，可以嵌入用戶自己的控制程序?？刂撇呗陨善髋c力控的其他程序組建可以無(wú)縫連接。</p><p>　　設(shè)置步驟為：在力控中展開(kāi)工具選項(xiàng)

89、進(jìn)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(shè)計(jì)所需功能塊和相應(yīng)變量將其拖入編輯窗口，設(shè)計(jì)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(jìn)入力控開(kāi)發(fā)主界面，建立窗口，運(yùn)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(shì)圖：雙擊趨勢(shì)圖，進(jìn)入屬性設(shè)置窗口：（1）在畫(huà)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(shí)間欄中設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度和采樣間隔。</p><p>　　文本：雙擊文本，進(jìn)入動(dòng)畫(huà)鏈接窗口，在數(shù)值輸入顯示欄中設(shè)定顯示方式，鏈接好變量。</p><p>　　按鈕：雙擊按鈕，進(jìn)入開(kāi)關(guān)向?qū)Т翱?，鏈接變量名，設(shè)置開(kāi)關(guān)顏色和有效動(dòng)作方式，設(shè)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(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，ITAE控制是使溫度能快速響應(yīng)。</p><p>　　PID實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線描繪的變量：level、level_out、PID0.SPL</p><p>　　ITAE實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線描繪的變量：、t、t_out、spt、ganrao.</

92、p><p>　　4.6實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線及分析</p><p><b>　　4.7本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)介紹了在力控軟件上進(jìn)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(xiě)，最后在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)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(jié)論與展望<

93、/b></p><p>　　本文在實(shí)驗(yàn)室A3000高級(jí)過(guò)程控制裝置鍋爐溫度控制硬件上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，通過(guò)兩點(diǎn)法分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性來(lái)建立其數(shù)學(xué)模型，利用ITAE二次優(yōu)化控制算法對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(lái)和PCI1711板卡來(lái)進(jìn)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(shí)驗(yàn)室

94、現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備A3000系統(tǒng)中的鍋爐溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，模型的建立結(jié)果是一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)，其具有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，這樣可以更接近于現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)，并利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合，得出特性曲線。利用一般的兩點(diǎn)法來(lái)計(jì)算前面已經(jīng)建立的模型的參數(shù)。</p><p>　　2)對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的算法進(jìn)行仿真對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)ITAE二次優(yōu)化算法對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)控制比PID等控制得好，各項(xiàng)性能指標(biāo)都在可期望范圍內(nèi)，這個(gè)得出的結(jié)論為后續(xù)的現(xiàn)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備

95、，即采用二次優(yōu)化算法控制時(shí)滯系統(tǒng)。</p><p>　　3）利用力控軟件來(lái)和PCI1711板卡完成了鍋爐溫度控制實(shí)驗(yàn)，得到了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)曲線，從實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。</p><p>　　本文進(jìn)行ITAE控制的算法實(shí)驗(yàn)只在鍋爐溫度上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以后的研究范圍可以擴(kuò)展到雙容時(shí)滯系統(tǒng)和非線性大時(shí)滯系統(tǒng)的優(yōu)化控制中去；由于受控

96、對(duì)象的特性參數(shù)常常是不斷改變的，進(jìn)一步的研究可以從設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，全面提高控制性能；在能源供應(yīng)越來(lái)越緊缺，對(duì)環(huán)境指標(biāo)越來(lái)越苛刻的年代，計(jì)算控制系統(tǒng)的能耗，必然也要提到日程上來(lái)，這個(gè)也是以后可以進(jìn)行研究的一個(gè)方向。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　

97、[1] 邵裕森. 過(guò)程控制系統(tǒng)及儀表. 機(jī)械工業(yè)出版社 ，1994</p><p>　　[2] 薛定宇、陳陽(yáng)泉。 基于MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[3] 項(xiàng)國(guó)波. 時(shí)滯系統(tǒng)優(yōu)化控制. 北京：中國(guó)電力出版社，2008</p><p>　　[4] 孫洪程等. 過(guò)程控制工程.

98、北京：高等教育出版社，2006</p><p>　　[5] 金以慧. 過(guò)程控制. 北京：清華大學(xué)出版社，2003</p><p>　　[6] 北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司. A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用說(shuō)明和產(chǎn)品維護(hù)</p><p>　　北京：北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司，2004</p><p>　　[7] 王錦標(biāo). 計(jì)算機(jī)控制系

99、統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，2001</p><p>　　[8] 吳勤勤. 控制儀表與裝置. 化學(xué)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(biāo)</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(biāo)</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(biāo)</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(shí)現(xiàn)的二次優(yōu)化控制系統(tǒng)性能指標(biāo)</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(kù)輸入變量</p><p>　　功能： 把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量作為一個(gè)其它運(yùn)算的一個(gè)輸入。</p><p><b>　　參數(shù)： </b></p><p><b>　　沒(méi)有輸入，一個(gè)輸出</b></p><p><b&g

104、t;　　輸出： </b></p><p>　?。?）數(shù)據(jù)庫(kù)輸出變量</p><p>　　功能：把運(yùn)算的結(jié)果輸出到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)點(diǎn)參數(shù)中。</p><p><b>　　一個(gè)輸入，沒(méi)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(gè)操作數(shù)相加。Result = in1 + in2</p><p><b>　　三個(gè)輸入，一個(gè)輸出</b></p><p><b>　　輸入： </b></p><p><b>　　輸出：</b></p>&

106、lt;p>　　（4）SUB（減法）功能塊：</p><p>　　功能：把兩個(gè)操作數(shù)相減。Result = in1 - in2</p><p><b>　　三個(gè)輸入，一個(gè)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(gè)操作數(shù)相乘。Result = in1 * in2 </p><p><b>　　三個(gè)輸入，一個(gè)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(diǎn)是計(jì)算一個(gè)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(gè)一拍三角保持器，經(jīng)過(guò)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(shí)為0，則在計(jì)算時(shí)自動(dòng)令B = 1。</p><p><b>　　致謝</b><

110、/p><p>　　在此論文設(shè)計(jì)撰寫(xiě)過(guò)程中，要特別感謝我的導(dǎo)師彭宇寧的指導(dǎo)與督促，彭老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)使我受益匪淺，沒(méi)有彭老師的幫助也就沒(méi)有今天的這篇論文。</p><p>　　感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)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(xiě)作。</p><p>　　謝謝我的父母，沒(méi)有他們辛