无线网络环境下运行反馈控制算法软件设计与开发

摘要

工业过程运行控制由运行层设定值控制和回路控制层过程控制两层结构组成，其目标是将运行指标控制在目标值范围内。现有的工业过程运行控制中，回路控制层过程控制输入与输出信息传输采用设备网，运行层设定控制的信息传输采用工业以太网。然而，由于工业生产中设备通常处于运动状态或者工作在恶劣的环境下，难以采用有线网络传输运行指标，因此不能实现运行指标闭环控制。传统的运行控制方法采用人工设定回路控制层设定值的方法进行开环控制，但是人工控制不能及时准确的随工况调整设定值，难以将运行指标控制在目标值范围内，甚至造成工况故障。 物联网等新兴技术的发展，使运行指标反馈可以通过工业无线网络反馈至控制系统，从而对无法或不易部署有线网络的工业过程实现运行反馈控制。然而无线网传输存在丢包与噪声问题，会导致系统控制性能下降，甚至不稳定。设备网、以太网和无线传感器网络共存的工业过程运行闭环控制对现有的反馈控制方法提出了挑战。混合网络环境下回路控制层与运行层的复合闭环控制系统的稳定性、收敛性是对现代控制理论中闭环控制系统性能分析方法的挑战。 本文针对一类工业过程运行控制中采用无线网络传输运行指标反馈值时存在的噪声和丢包问题，建立了以过程控制的输入输出为输入、以运行指标为输出的随机过程模型。提出了由不同采样速率的过程控制与设定值反馈控制组成的运行反馈控制方法，保证了双闭环控制系统的随机稳定性，同时实现了运行指标实际值与目标值稳态误差的均值为零。通过浮选过程运行反馈控制仿真实验验证了本文所提方法的有效性。设计与开发了无线网络环境下的运行反馈控制算法软件，并通过物理实验进行了验证。 论文主要工作与贡献如下: 1.对无线网络环境下运行反馈控制问题进行描述，针对无线网传输存在的丢包与噪声的情况建立了运行指标反馈值经无线网络传输的模型。 2.考虑无线网络传输不可靠问题设计了由回路控制层PI控制与运行层设定值反馈控制组成的无线网络环境下运行反馈控制方法，采用Lyapunov函数和不同采样频率的提升技术设计了过程PI控制器参数和过程控制设定值反馈控制器参数并进行了随机稳定分析，实现工业过程运行指标期望对目标值的跟踪。 3.以浮选过程为背景，对本文提出的控制方法进行了仿真对比实验，实验结果证明本文提出方法比已有方法具有更好的控制效果。 4.针对本文提出的控制方法，结合多功能过程控制平台设计并开发了无线网络环境下的运行反馈控制算法软件，该软件能够模拟网络丢包与噪声并能够实现本文所提控制算法;然后以单容水箱液位控制过程为被控对象进行了物理实验，实验结果证明了该算法软件能够实现无线网络环境下的运行反馈控制。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2网络化控制与工业过程运行控制国内外研究现状

1．2．1网络化控制系统研究现状

1．2．2工业过程运行控制方法研究现状

1．3研究内容

第2章无线网络环境下运行反馈控制问题描述

2．1无线网络环境下工业过程运行反馈控制介绍

2．1．1被控工业过程模型

2．1．2层级间采样率转换模型

2．2无线网运行反馈控制难点

2．2．1网络丢包问题描述

2．2．2网络噪声问题描述

2．3控制目标

2．4本章小结

第3章无线网络环境下运行反馈控制器设计及仿真实验

3．1无线网络环境下运行反馈控制策略

3．2回路控制层过程控制器设计

3．2．1过程PI控制器设计

3．2．2过程PI控制器参数选择与稳定性证明

3．3无线网络环境下设定值反馈控制器设计

3．3．1运行层设定值反馈控制模型

3．3．2运行层设定值反馈控制器设计及稳定性分析

3．4基于浮选过程的无线网络环境下运行反馈控制仿真实验研究

3．4．1浮选过程问题描述与数学模型

3．4．2过程控制仿真实验及分析

3．4．3设定值反馈控制仿真实验及分析

3．5本章小结

第4章无线网络环境下运行反馈控制算法软件设计与开发

4．1过程控制实验平台介绍

4．1．1实验设备硬件系统

4．1．2实验设备软件系统

4．2无线网络环境下运行反馈控制算法软件设计

4．2．1软件结构

4．2．2软件功能

4．3无线网络环境下运行反馈控制算法软件开发

4．3．1运行过程模型开发

4．3．2无线传输模型开发

4．3．3回路控制层控制模块的开发

4．3．4运行层设定值反馈控制模块的开发

4．4本章小结

第5章基于水箱的无线网络环境下运行反馈控制算法软件验证

5．1单容水箱单闭环液位控制系统建模

5．1．1机理模型的建立

5．1．2辨识法确定数学模型

5．2基于水箱的无线网络环境下运行反馈控制的Simulink仿真实验

5．2．1过程控制仿真实验及分析

5．2．2设定反馈控制仿真实验及分析

5．3基于水箱的无线网络环境下运行反馈控制的物理实验

5．3．1过程控制实验及分析

5．3．2设定值反馈控制实验及分析

5．4本章小结

第6章总结与展望

6．1工作总结

6．2未来工作

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文