面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台设计与开发

摘要

高阶过程在实际工业系统中广泛存在，针对高阶过程采用常规PID控制算法往往难于奏效，一些学者致力于研究改进的PID控制算法，以获得更好的高阶过程控制性能。控制系统仿真平台是验证控制算法的重要工具，但是现有控制系统仿真平台由于被控对象多为低阶，不能较好地解决面向高阶过程的改进PID控制算法仿真验证问题。本文在现有的低阶控制系统实物仿真平台的基础上，设计开发了用于改进PID控制算法验证的面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台，解决了高阶过程的改进PID控制算法的仿真问题，主要工作分为以下3个方面: 1.本文在现有控制系统实物仿真平台上构建了半实物高阶被控对象。目前，实验室现有控制系统实物仿真平台的被控对象为低阶被控对象，并且难以改造成实物高阶被控对象。为了构建高阶被控对象，利用虚实结合的方法，首先将高阶被控对象分解成实物系统部分和虚拟系统部分，实物系统部分使用现有平台上的低阶实物被控对象，虚拟部分则使用实时数学模型建立在实时操作系统中，虚实部分相结合构成半实物高阶被控对象。为了保证半实物高阶被控对象满足高阶特性，在设计虚拟系统时又要综合考虑实物系统的特性。实验结果表明所构建的高阶被控对象符合高阶系统特性。另外，为了方便仿真平台使用，还将所构建的半实物高阶被控对象在Simulink中进行封装并模块化。 2.本文针对高阶过程存在未建模动态时，使用常规PID控制算法难以获得良好的闭环系统动态性能问题，提出了基于前一拍未建模动态补偿的PID控制算法。与目前基于神经网络的未建模动态补偿PID控制算法相比，该算法具有结构相对简单、易于实现的优点。为了进一步研究面向高阶过程的改进PID控制算法，将该算法在Simulink中模块化进行封装并模块化。 3.本文在所提的面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台上，进行了常规PID控制算法和基于前一拍未建模动态补偿PID控制算法的对比实验。实验结果表明，对于高阶过程，与常规的PID控制算法相比，基于前一拍未建模动态补偿PID控制算法能够加快系统响应速度、降低超调量，有效改善闭环系统的动态性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2研究现状与存在问题

1．2．1研究现状

1．2．2存在问题

1．3本文的研究方法及依据

1．4本文的主要研究内容及结构安排

1．4．1研究内容

1．4．2结构安排

第2章面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台关键技术概述

2．1引言

2．2控制系统半实物仿真技术概述

2．3高阶过程数学模型描述

2．4高阶过程控制算法介绍

2．4．1常规PID控制算法

2．4．2基于前一拍未建模动态补偿的PID控制算法

2．5面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台构建方法

2．6本章小结

第3章面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台设计与开发

3．1引言

3．2平台需求分析

3．3平台总体设计

3．2．1功能设计

3．2．2结构设计

3．4平台模块设计

3．4．1半实物高阶被控对象模块设计

3．4．2常规PID控制算法模块设计

3．4．3基于前一拍未建模动态补偿PID控制算法模块设计

3．5平台开发

3．5．1单容水箱系统原装Simulink模块库改进

3．5．2半实物高阶被控对象模块开发

3．5．3常规PID控制算法模块模块开发

3．5．4基于前一拍未建模动态补偿PID控制算法模块开发

3．5．5平台Simulink模块库

3．6本章小结

第4章面向高阶过程的控制系统半实物仿真平台实验验证

4．1引言

4．2特定半实物高阶被控对象设计实验

4．4．1半实物三阶水箱实验模型构建

4．4．2半实物三阶水箱系统阶跃响应仿真

4．4．3半实物三阶水箱阶跃响应实验

4．3控制算法对比仿真实验

4．3．1半实物三阶水箱PI控制算法仿真

4．3．2半实物三阶水箱PI控制算法实验

4．3．3半实物三阶水箱改进PI控制算法仿真

4．3．4半实物三阶水箱改进PI控制算法实验

4．4本章小结

第5章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

致谢