一种基于PLC的通用型广义预测控制模块设计

摘要

广义预测控制，是模型预测控制中最具有代表性的算法之一。它在自适应控制的研究中发展起来，保留了自适应控制方法的优点;同时，由于延用了多步预测、滚动优化和反馈校正等策略，该算法对非线性、时变及多变量耦合等系统有很好的控制效果。
　　作为一种计算机控制算法，广义预测控制与其它先进过程控制一样，一般基于计算机平台，以商品化软件的形式应用于过程控制系统中;然而，基于计算机平台的该类系统存在着诸如实现费用高、系统开发周期长、最优化解决方案复杂、算法不能很好适应工控现场已有的软硬件平台等方面的不足，降低了模型预测控制理论与工业现场实际需求的融合力，在某种程度上阻碍了其发展。
　　近年来，PLC软硬件水平的飞速发展及在工业现场中越来越广泛的应用，很大程度上推动了先进控制算法向PLC上移植的研究与探索，越来越多的先进控制策略从专家、学者的理论研究走向工业现场。
　　论文总结了目前具有代表性的先进过程控制方案在PLC平台上移植的经验，针对常规多变量广义预测控制算法需进行高维矩阵求逆的问题，提出了一种改进型直接算法，将常规算法进行矩阵求逆得到的目标矩阵通过辨识的方法间接获得，根本上解决了在PLC平台上进行矩阵求逆运算可能引起的控制系统发散问题;此外，在西门子S7-300 PLC平台上，独创性地提出并设计了一款面向用户的通用型广义预测控制模块，旨在为PLC技术人员提供一种新的先进控制方案。
　　论文首先推导了改进型多变量广义预测控制直接算法，给出了算法流程，并通过仿真算例，初步验证了其控制性能和在PLC平台上的可移植性;然后，运用符合国际电工委员会编程标准IEC61131-3的结构化控制语言，在西门子S7-300 PLC上，将本文提出的改进型算法设计成独立的功能块，并给出了输入输出参数说明;最后，搭建实验平台，将本文设计的算法模块应用于控制系统，运用组态软件进行实时监控、曲线记录;实验结果验证了该模块的有效性和通用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 基于PLC的预测控制方案研究现状

1．3 本文的组织结构

第二章 西门子S7-300可编程控制器

2．1 西门子S7-300可编程控制器概述

2．2 西门子S7-300可编程控制器编程环境

2．2．1 STEP7编程软件

2．2．2 编程语言

2．3 本章小结

第三章 改进型多变量广义预测控制直接算法

3．1 模型预测控制的基本原理

3．2 多变量系统的常规GPC算法

3．3 改进型多变量GPC直接算法

3．3．1 预测模型

3．3．2 计算最优控制律

3．3．3 等价广义性能指标

3．3．4 参数辨识

3．3．5 运算流程

3．3．6 系统的稳定性与鲁棒性

3．4 仿真分析

3．5 本章小结

第四章 基于PLC的通用型GPC模块设计

4．1 设计方案概述

4．1．1 模块化设计方法

4．1．2 矩阵求逆运算的工程方法及可行性分析

4．1．3 西门子过程控制系统PCS7

4．1．4 对基于最小平台的APC方案的思考

4．1．5 对模块通用性的补充

4．2 模块设计方案

4．3 本章小结

第五章 实验与分析

5．1 实验平台

5．1．1 实验程序设计

5．1．2 系统组态与画面设计

5．2 实验结果与分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

研究生期间发表论文

致谢