二自由度IMC--PID及多模型切换控制研究

摘要

现如今，在生产工艺不断改进的同时，对于整个过程控制的水平要求也日益提高。普通的PID控制器对于有些较为复杂的控制回路难以进行优良的控制，而PID控制器在工业生产过程中具很高的使用率，所以对普通的PID控制器进行改进就变得非常有必要。在此背景下本文基于二自由度内模(TDF-IMC)控制结构对PID控制器进行了研究。实际生产过程中经常会遇到工况波动范围较大或操作条件变化较频繁等问题，而多模型控制为解决上述问题提供了很好的方法，因此本文针对多模型也展开了一些研究。具体的研究内容如下述几个方向: 首先本文研究了如果通过二自由度内模控制器的结构来推导求解PID控制器参数的形式。运用系统的结构奇异值和带约束的IAE性能指标来整定TDF-IMC反馈滤波器器参数，运用IAE性能指标和超调约束来整定TDF-IMC反馈滤波器参数，最终根据TDF-IMC与PID控制器之间的参数的关系进行转换来求解出TDF-IMC-PID控制器的相关参数。最终仿真表明控制效果优良，值得在实际应用中进行推广。 其次提出了一种多模型二自由度内模控制方案，用多模型来逼近大范围工况，用二自由度来保证良好的跟踪效果和抗干扰鲁棒性，并将K-means聚类算法进行改进，然后将采集到的数据进行区分，并建立模型集。通过仿真和实际应用证明，该方法针对工况复杂多变、滞后时间长的单回路具有很好的控制效果。最终成功的应用在脱己烷塔装置上，提高了产品质量和经济效益。 最后本文针对模型集中模型个数多时控制精度高但是会造成过渡时间较长的问题进行了研究，通过多个模型集的方法有效的解决了上述问题。并提出了采用通用型MVC3原理以及线性二次高斯逆的最优问题来求解模型预测控制的加权矩阵，并将模型预测控制器与起作用集方法相结合实现了操作优化。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 二自由度内模控制器参数整定

1．2．2 聚类算法的研究

1．2．3 多模型切换算法

1．2．4 模型预测控制器参数整定及优化

1．3 本文主要研究内容

第二章 二自由度IMC-PID开发与参数整定

2．1 引言

2．2 二自由度IMC-PID控制器设计

2．2．1 二自由度内模控制原理

2．2．2 二自由度内模控制的主要性质

2．2．3 IMC-PID的整定算法

2．2．4 典型二自由度IMC-PID

2．3 二自由度内模滤波器参数整定

2．4 仿真

2．5 总结

第三章 基于改进K-means算法的多模型二自由度内模控制

3．1 引言

3．2 改进的K-means聚类算法

3．2．1 K-means聚类算法

3．2．2 改进K-means聚类算法的步骤

3．2．3 改进K-means聚类算法的总流程

3．3 多模型二自由度内模控制

3．3．1 基于多模型二自由度内模控制结构

3．3．2 多模型切换算法

3．4 对象模型的辨识

3．5 仿真及工业应用

3．5．1 改进K-means算法

3．5．2 基于脱己烷塔数据的仿真

3．5．3 工业应用

3．6 总结

第四章 基于双模型集的多模型预测控制

4．1 引言

4．2 非线系统线性化处理

4．3 基于双模型集的多模型切换方法

4．4 模型预测控制(DMC)

4．4．1 DMC控制算法基本原理

4．4．2 模型预测控制器Q和R参数整定

4．4．3 基于起作用集方法的操作优化

4．5 仿真结果

4．5．1 控制器参数整定及基于起作用集操作优化

4．5．2 基于双模型集的多模型切换预测控制

4．6 总结

第五章 控制器参数整定软件

5．1 引言

5．2 软件的设计流程

5．2．1 软件内容介绍

5．2．2 软件内容流程图

5．3 软件操作说明

5．3．1 二自由度内模控制器参数整定

5．3．2 模型预测控制器参数部分

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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