基于GPC的自适应PID控制器在挤出机温度控制中的研究与应用

摘要

工业中的温控对象普遍具有非线性、大滞后等特点，往往受到不可预测的外界环境扰动的影响，容易引起系统超调和持续的振荡，所以，高精度的温度控制难度比较大。 本文是以贝加莱的塑料挤出机的温度控制为研究背景来展开课题的。塑料挤出机是生产塑料制品的主要设备，在塑料制品需求量不断增加的同时，对塑料制品的品质要求也越来越高，因此必须设法提高塑料挤出机的生产效率和控制精度。挤出机温度控制的效果直接影响挤出制品的质量，控制温度既不能过高也不能过低，必须控制在一定精度内。目前，贝加莱所使用的PIDXH控制器虽然在温度控制的实际应用中表现出了比较理想的控制效果，但它仍然是将参数整定与系统控制分开处理的离线整定方法，如果工况发生变化就必须重新调整参数，给生产带来不便。针对上述问题，需要寻求一种参数自适应的PID控制器，既适合控制温度这种大时滞被控对象，又能适应复杂的工况，达到高的性能指标。本文将基于广义预测控制(GPC)的自适应PID控制器应用于塑料挤出机的温度控制，进行了大量的理论研究、仿真和实验，得到了良好的控制效果，主要工作内容如下： (1)研究了塑料挤出机机筒的结构和塑料挤出的过程，分析了温度控制的现状，指出解决挤出机温度控制问题的思路和方向。 (2)研究了固定取值的PID控制器和现有的多种自适应PID控制器的原理，并分析比较了它们在实际应用中的优缺点。 (3)针对温度控制这一大时滞系统，本文研究了Toru Yamamoto等人提出的基于GPC的自适应PID控制算法，将其应用于温度控制，并与固定取值的PID控制器做了MATLAB仿真和Automation Studio仿真比较，仿真结果表明基于GPC的自适应PID控制器比固定取值的PID控制器更适于温度控制。 (4)以贝加莱可编程计算机控制器(PCC)搭建温度控制实验平台进行温控实验。实验结果表明基于GPC的自适应PID控制器在稳定性、鲁棒性和实时跟踪等方面具有优良的性能。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

1引言

1.1温度控制的现状

1.2课题的背景

1.3本文研究的主要内容及工作简述

2塑料挤出机及其温度控制的方案

2.1塑料挤出机机筒的结构

2.2工业温度控制方案

2.2.1固定取值的PID控制器

2.2.2自适应PID控制器

2.3贝加莱挤出机塑料管材生产线控制系统

2.3.1贝加莱可编程计算机控制器PCC

2.3.2控制系统解决方案

2.3.3控制任务的实现

2.4本章小结

3基于GPC的自适应PID控制器

3.1广义预测控制

3.1.1广义预测控制的基本形式

3.1.2多步预测及Diophantine方程的递推解

3.1.3引入滤波器T(z-1)的广义预测控制

3.1.4隐式广义预测自校正控制器

3.1.5预测控制系统的参数选择

3.2基于GPC的自适应PID控制器

3.2.1 PID控制法则

3.2.2模型的参数辨识

3.2.3基于GPC的自适应PID控制器的设计

3.2.4设计步骤

3.3基于GPC的PID自适应控制器的程序流程图

3.4固定取值PID与基于GPC的自适应PID的仿真比较

3.4.1 MATLAB仿真比较

3.4.2 AS仿真比较

3.5本章小结

4系统实验及实验结果分析

4.1实验台的搭建与实验结果分析

4.2本章小结

5全文总结

致谢

参考文献

附 录贝加莱的亿利PE管材生产线挤出机图片：

读研期间发表的论文和参与的科研项目