基于Multi-Agent的复杂工业过程控制系统及其在PROFIBUS上实现的研究

摘要

该文从复杂工业过程控制生产发展的需要出发,将Multi-Agent理论引入传统的工业过程控制领域,提出了建立基于Multi-Agent理论的复杂工业过程控制系统的命题,并根据现场总线系统的特点对系统在现场总线上实现进行了探讨.首先通过对现代化工业过程控制系统特点的分析,对Multi-Agent理论和现场总线的简单介绍,指出进行该课题的必要性和可行性.进一步介绍广义Multi-Agent理论的基础上探讨工业过程控制领域通用的基于Multi-Agent的复杂工业控制系统的架构,定义了符合工业过程控制系统特点的个体Agent模型和个体Agent的行为规则.构建了两种不同的Agent群体社会体系结构:分散式体系结构和混合式体系结构.根据不同的群体体系结构提出了不同的协作机制:联合行动求解机制和协调仲裁管理机制.接着从技术特点到结构特点对现场总线系统和基于Multi-Agent的工业过程控制系统进行了细致的比较分析,指出两者从思想方法到解决问题的模式有惊人的相似性,进一步论证了前者是后者的天然实现平台.制定了实现平台的选型原则并选取PROFIBUS总线作为该文研究的系统的实现平台.选择具有代表性的温度—液位多变量控制对象具体构建了基于Multi-Agent的多变量控制系统.提出了新型的系统控制需求,根据需求对Agent进行了功能的划分和定义,并对系统中主要功能的Agent进行了算法的选取和仿真研究.最后给出了在PROFIBUS上实现该基于Multi-Agent理论的多变量控制系统的软、硬件总体方案和主要Agent的实现方法.该文的研究理论与生产需求相结合,具有较强的理论与实践意义.将相关领域的先进理论引入工业过程控制领域,为自动控制理论的发展开辟了一条新路,也为复杂工业控制理论找到了一个新的出发点.

目录

文摘

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第一章引论

1.1复杂工业过程控制系统的发展状况

1.2 Multi-Agent理论的提出及应用领域

1.3现场总线控制系统

1.4本文研究工作的提出和内容安排

1.4.1开展研究的必要性和可行性

1.4.2内容安排

第二章基于Multi-Agent的复杂工业过程控制系统架构

2.1广义的Multi-Agent理论分析

2.1.1基本概念：Agent与Multi-Agent

2.1.2 Multi-Agent理论体系结构

2.2 Multi-Agent理论在控制领域应用初探

2.2.1 Multi-Agent的广义控制模型

2.2.2控制器Agent概念

2.2.3控制系统体系结构的探索

2.3通用系统描述

2.3.1应用对象的选择

2.3.2控制系统的功能及优点

2.4系统中单Agent结构的设计方法

2.4.1 Agent共性与特性

2.4.2 Agent结构设计

2.4.3 Agent类的表述

2.5控制系统中群体Agent体系构成及协调控制机制

2.5.1分散体系结构与联合求解机制

2.5.2具有主Agent的混合体系结构与裁决管理机制

2.6小结

第三章基于Multi-Agent复杂工业过程控制系统在现场总线上的实现

3.1系统实现的可行性分析

3.1.1两者技术特点的共性研究

3.1.2结构方法的相似性

3.1.3结论

3.2具体现场总线实现平台的选取

3.2.1几种有影响的总线技术探讨

3.2.2 PROFUBUS的优势

3.2.3现场总线系统的选型原则

3.3 PROFIBUS-DP现场总线控制系统描述

3.3.1 PROFIBUS-DP总线系统配置与设备类型

3.3.2 PROFIBUS-DP系统行为

3.3.3 PROFIBUS-DP系统组成

3.4面向PLC的STEP7软件

3.4.1 STEP 7程序块

3.4.2编程语言

3.4.3操作STEP7的步骤

3.5功能强大的组态软件WINCC

3.5.1 WINCC系统功能

3.5.2 WINCC的基本控制模块

3.6连接现场总线信号与监控软件的桥梁-OPC

第四章基于Multi-Agent多变量过程控制系统

4.1应用背景简述

4.1.1多变量系统描述与分析

4.1.2传统静态控制方法的局限性

4.2新型系统的多控制目标设定

4.2.1基本控制指标

4.2.2系统能量损耗指标

4.2.3在线优化控制

4.3系统结构与协调控制机制的比较与选择

4.3.1分散结构中Agent的设计分析

4.3.2混合结构中Agent的设计分析

4.3.3多变量系统Agent体系结构

4.4管理裁决Agent及具体裁判准则

4.4.1底层管理Agent

4.4.2中间层管理Agent

4.5中间层Agent的功能划分

4.5.1 Agent间协调与合作过程

4.5.2对象参数在线辨识Agent

4.5.3实时在线解耦矩阵运算Agent

4.5.4闭环实时PID控制参数整定Agent

4.5.5稳态判定与能量消耗计算Agent

4.5.6其它的Agent

4.6小结

第五章系统控制算法的研究与仿真

5.1一些准备工作

5.1.1被控对象的选取

5.1.2模型的确定

5.1.3被控对象参数开环测试方法

5.2对象参数在线辨识算法

5.2.1参数辨识的主要方法比较

5.2.2基于遗传算法的参数辨识

5.2.3辨识步骤

5.3解耦矩阵的求取

5.4系统PID控制参数整定方法

5.4.1经典PID参数的整定方法分析

5.4.2基于规则的寻优整定算法

5.4.3仿真结果与扩展研究

5.5能量损耗的计算方法

5.6 小结

第六章系统在PROFIBUS现场总线上的实现探讨

6.1系统整体实现方案

6.1.1硬件方案

6.1.2系统软件解决方案

6.2 WINCC实现的功能设计

6.2.1一般功能的实现

6.2.2 WINCC实现的变量传递与访问

6.3 PID模块控制

6.3.1方案选择

6.3.2 FC105的使用

6.3.3 FB41的使用

6.4其它Agent的软件实现

6.4.1数据存储Agent——EXCEL

6.4.2 VB编程实现的Agent

6.5小结

第七章总结与展望

7.1全文工作总结

7.2存在的问题及将来的研究工作

7.4结束语

参考文献

附录1

附录2

附录3

作者在攻读硕士期间发表的论文及科研工作

致谢