双容水箱参数跃变混杂系统的建模与控制研究

摘要

混杂系统是由连续变量动态系统和离散变量动态系统相互影响、相互作用而形成的的复杂的非线性动态系统。在实际的工业过程中，这种含有两类变量的混杂系统非常常见，仅仅采用传统的微分方程或差分方程的形式很难清晰地描述这类系统的动态特性，这也限制了相应的控制理论的发展。双容水箱系统是一类带有参数跃变的混杂系统，系统的连续变量是水箱的进出水流量，离散变量是水箱结构、阀门开度等的变化。本文使用混合逻辑动态理论建立了该水箱系统的统一模型并提出了一种预测控制策略，主要有以下内容:
　　(1)研究双水箱系统的多模型PID控制问题。对于实际中存在的参数跃变的问题，采用中控CS4000水箱系统进行模拟。基于不同的参数跃变类型，分别设计了相应的多模型PID控制器并进行了仿真控制研究。
　　(2)研究带参数跃变的双水箱系统的混合逻辑动态建模问题。介绍了混合逻辑动态建模的理论依据，并对其几种常见的建模方法和建模步骤进行了简要介绍。分析了双水箱系统的两种变量间的作用关系，建立了适合该系统的混合逻辑动态模型。
　　(3)研究双水箱混合逻辑动态模型的预测控制问题。分别基于MIQP与MILP性能指标进行了对比分析。采用基于线性的预测控制策略对本文提出的双水箱混合逻辑动态模型进行了仿真研究，通过与PID控制器的对比分析说明了其有效性。
　　(4)研究预测控制策略在CS4000系统中的应用问题。利用OPC接口技术将MATLAB工具箱与西门子PLC-300进行连接，以MATLAB为客户端、WinCC监控软件为服务器，实现了MATLAB对现场CS4000过程对象的实时控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 混杂系统简介

1．1．2 混杂系统的来源与特点

1．2 混杂系统的研究现状

1．2．1 混杂系统的常用模型

1．2．2 混杂系统的优化控制

1．2．3 混杂系统的应用

1．3 课题研究意义

1．4 主要内容与章节安排

2 双水箱混杂系统的常规控制

2．1 水箱系统简介

2．1．1 CS4000型过程控制装置简介

2．1．2 双容水箱系统结构

2．1．3 双水箱系统混杂特性分析

2．2 混杂系统的多模型PID控制器设计

2．2．1 常规PID控制器

2．2．2 多模型PID控制器

2．3 双水箱系统的常规控制仿真

2．4 本章小结

3 双水箱混杂系统的MLD建模

3．1 引言

3．2 混合逻辑动态建模简介

3．2．1 命题逻辑与混合整数线性不等式

3．2．2 混杂混合逻辑动态建模步骤

3．2．3 混合逻辑动态的建模方法

3．3 带参数跃变的双容水箱系统的MLD建模

3．3．1 双容水箱系统混杂特性分析

3．3．2 双水箱系统的线性化和离散化

3．3．3 基于HYSDEL语言的双容水箱软件建模

3．4 本章小结

4 双水箱混杂系统的预测控制

4．1 预测控制

4．1．1 预测控制简介

4．1．2 预测控制的原理

4．1．3 预测控制的特点

4．2 混合逻辑动态模型的稳定性分析

4．3 基于MLD模型的预测控制

4．3．1 基于MLD模型的MIQP预测控制

4．3．2 基于MLD模型的MILP预测控制

4．4 双水箱MLD模型的预测控制

4．5 预测控制与常规PID控制的对比

4．6 本章小结

5 双水箱混杂系统PLC应用研究

5．1 西门子S7-300PLC简介

5．1．1 硬件介绍

5．1．2 软件介绍

5．1．3 用户界面

5．2 OPC技术

5．3 基于OPC的MATLAB与PLC之间的通信

5．3．1 系统结构

5．3．2 MATLAB与WinCC的通信

5．3．3 MATLAB的实时控制实现

5．4 调试与运行

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献