第1章緒論

1.1課題背景及意義
在實際工業(yè)應用中，絕大多數(shù)過程對象都是多變量系統(tǒng)。由于在被控變量之間存在著親合互聯(lián)作用，這也給控制器的設計帶來一定困難。所以如何減小系統(tǒng)之間的相互作用對多變量系統(tǒng)的深入研究有著重要的意義。由于多變量系統(tǒng)跟單回路系統(tǒng)相比較，最大的不同就是回路之間存在著相互的關(guān)聯(lián)作用，這也就使得對其控制存在著一定的難度。針對多變量系統(tǒng)的控制問題，雖然先進控制方法取得了突飛猛進的發(fā)展，但是在實際工業(yè)應用中通常還是偏向采用分散控制。究其原因，分散控制的原理就是通過一定的方法將多變量系統(tǒng)劃分成為幾個獨立的、互不干擾的單回路子系統(tǒng)，從而對各單回路系統(tǒng)再分別設計相應的控制器。可見分散控制有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、同時便于在線調(diào)整等優(yōu)點。但是分散控制也存在不可避免的缺點，如果多變量控制系統(tǒng)的稱合比較弱的時候，完全分散控制就足以取得很好的控制效果，滿足相應的控制性能要求；但是當多變量控制系統(tǒng)之間存在著較強的稱合作用時，完全分散控制就很難滿足所要求的高性能指標，情況嚴重時，甚至都不能使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。所以說，完全分散控制系統(tǒng)的最終控制效果在很大程度上決定于整個被控過程的稱合程度。在分散控制不能解決的情況下，一般會考慮采用多變量控制的方法。
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1.2多變量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
對于實際的工業(yè)過程對象，PID控制器具有結(jié)構(gòu)較簡單、參數(shù)容易整定，同時易于在線操作等優(yōu)點，一直是實際工業(yè)系統(tǒng)控制中的主流方法，同時這也促使了 PID控制器的設計及其參數(shù)整定等方面的發(fā)展。然而，大多數(shù)的工業(yè)過程可謂都是多變量系統(tǒng)，存在不止一個輸入和輸出，這也使得各回路之間不可避免的存在相互稱合作用�？梢�，如何設計控制器保證多變量系統(tǒng)的有效控制和穩(wěn)定性，，要比單變量系統(tǒng)的設計問題復雜得多，也不易處理。針對這種情況，一般會將多變量系統(tǒng)進一步劃分為幾個互無干擾的單回路系統(tǒng)，再分別設計相應的PID控制器，同時將回路之間的稱合關(guān)聯(lián)作用視為外界擾動，主要是利用簡化控制結(jié)構(gòu)的方法來滿足多變量系統(tǒng)的動態(tài)性能要求。這就是分散控制的主要思想，圖1-1就是最基本的分散控制器結(jié)構(gòu)。一直以來，分散控制器的設計都是控制方面的熱點問題，也取得了相當大的進展和成就。通常分散PID控制器設計方法有以下6種：1、解調(diào)因子法：首先不考慮其他回路的影響作用，主要依賴于相應矩陣的對角元素，設計出每個控制器。再根據(jù)一些限制要求，來重新調(diào)整控制器的參數(shù)，通常是對控制器的增益乘以一個解調(diào)因子，其中典型的方法有最大對數(shù)模方法（BLT)。2、順序回路閉合法：每個回路按照一定的順序依次進行閉合，而一般會將最快的回路作為第一個回路進行處理[3-6]，相應地，在之后的閉合回路設計中，就需要充分考慮各個回路之間存在的動態(tài)稱合作用，可見直到最后一個控制器的設計，很大程度上就會依賴于之前所設計的控制器，而后面閉合回路同樣也會對前面設計的回路造成一定影響，這說明了回路之間的先后閉合順序會直接影響到最后控制的效果和性能。3、迭代試湊方法：和順序回路閉合法相類似，首先是整定每個單回路的控制器[7，8]，在所有的回路都閉合的基礎(chǔ)上，保持所有回路的控制器不變，再依次重新調(diào)整每個控制器，直到最后他們都收斂為止，一般是利用繼電反饋試驗來實現(xiàn)。但是該方法需要的試驗次數(shù)較多，而且該方法很大程度依賴試驗的準確度。
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第1章部分分散控制器的設計設計

2.1部分分散控制結(jié)構(gòu)形式
設計部分分散控制器，主要是基于對被控對象的非方擴展。在選擇出合適的控制結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，將被控對象進一步擴展為非方對象模型，結(jié)合內(nèi)模方法和預測控制方法來設計非方分散控制器，最后根據(jù)對應的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽畛醯牟糠址稚⒖刂破鞅磉_形式。如之前介紹，對于一個2X2的系統(tǒng)來說，就有如上4種結(jié)構(gòu)形式的控制器。對于一個3X3的系統(tǒng)，則有234種可能存在的控制器形式，那么對于更高階的系統(tǒng)，相應地部分分散控制器可能存在的結(jié)構(gòu)形式就會變得更多。所以有必要在設計控制器之前，先確定出選用哪種結(jié)構(gòu)形式的部分分散控制器。
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2.2部分分散控制器結(jié)構(gòu)選擇方法
對于一個2X2的系統(tǒng)，雖然只有可能的4種形式的控制器，但相互之間的控制效果卻存在很大的差異。為了選出其中最合適的控制器表達形式，需要找到一種簡單有效的分析方法。Lopez and Athans在1993年提出了穩(wěn)定因子分解的方法[21]。但是目前更為常用的方法是基于子系統(tǒng)能控能觀性的Gramian矩陣法[28]，采用該方法便就可以確定出所需要的部分分散控制的結(jié)構(gòu)形式，即保留原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣中的某些元素而忽略那些影響相對比較小的元素。這樣的話，最終確定的子系統(tǒng)也可以說越接近于原系統(tǒng)，最終系統(tǒng)的控制效果也最接近于釆用多變量控制策略的效果。對于偽逆因子而言，有兩種特殊情況是要特別說明的。當a= 0時，部分分散控制器就可以簡化為完全分散控制器；當a=1時，是只有一個輸出是可控的，那么這種情況下就會在設定值響應上引起一定的抵消。在部分分散控制器的設計上，這兩種情況是絕對不允許出現(xiàn)的。所以如何確定偽逆因子a的取值范圍或a的最優(yōu)取值是很值得深入研究。
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第3章四容水箱的部分分散控制...........  19
3.1四容水箱概況......... 19
3.2 四容水箱控制模型(Quadruple tank process)......... 20
3.3關(guān)于四容水箱的多變量概念......... 23
3.3.1多變量零點......... 23
3.3.2非線性零點動態(tài)特性.........25
3.3.3穩(wěn)態(tài)條件......... 26
3.4仿真實例.........   26
3.5本章小結(jié).........   33
第4章四容水箱過程控制實驗......... 34
4.1網(wǎng)絡化四容水箱......... 34
4.2網(wǎng)絡化四容水箱實驗裝置......... 34
4.2.1系統(tǒng)軟件平臺......... 34
4.2.2系統(tǒng)硬件設汁......... 35
4.3四容水箱系統(tǒng)參數(shù)辨識及控制.........   36
4.4本章小結(jié) .........42
第5章結(jié)論與展望......... 43

第4章四容水箱過程控制實驗

4.1網(wǎng)絡化四容水箱
對于四容水箱相關(guān)理論的研究已經(jīng)取得了一定的成果，所以考慮如何將新的研究方法應用到實際的過程對象上，來檢驗理論研究的可靠性，這對控制方法能夠應用到實際系統(tǒng)上有著重要的意義。本實驗主要是在北方工業(yè)大學的網(wǎng)絡化四容水箱控制系統(tǒng)[45]上進行的，計對該典型的多變量過程控制對象，主要設計PLC的控制系統(tǒng)，再通過OPC通訊技術(shù)來實現(xiàn)MATLAB與PLC控制系統(tǒng)的集成，從而實現(xiàn)相互之間的通訊工作，最后在上位機上實現(xiàn)對MATLAB的實時控制。STEP7編程軟件是用于PLC組態(tài)、編程、監(jiān)控和調(diào)試的標準工具，使用相當廣泛。可以支持多種編程語言，有功能塊圖、語句表、梯形邏輯圖，通常在實際中更多的采用梯形圖進行編程設計。用戶可以從中界面直觀使用S7-300的全部功能。使用STEP7可以完成較大或較復雜的應用設計，能和其輔助的SIMATIC軟件包互相兼容，STEP7軟件在一定程度上式可以有效提升特定自動化系統(tǒng)的工作效率。

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結(jié)論

多變量控制系統(tǒng)作為工業(yè)應用中最普遍的過程對象，為了實現(xiàn)對其更好的控制，已經(jīng)有許多學者對該研究對象做了相當大的工作，也取得了不錯的發(fā)展。但是就部分分散控制而言，相關(guān)理論不夠系統(tǒng)完善及其應用上也沒廣泛實現(xiàn)，所以有必要對部分分散控制算法進一步的研究和分析。本文主詳細介紹了部分分散控制器的發(fā)展及其基于內(nèi)�？刂坪皖A測控制設計部分分散控制器的的方法，并且將其應用到典型的多變量控制系統(tǒng)一四容水箱上進行試驗說明部分分散控制方法在優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)和提高控制性能上的優(yōu)點。全文的主要研究工作有以下幾點：
1、利用現(xiàn)有的基于Gmmian矩陣選擇出最合適的部分分散控制器的結(jié)構(gòu)形式，之后可以分別利用內(nèi)�？刂坪皖A測控制設計部分分散控制器。
2、對于四容水箱這個典型的多變量系統(tǒng)，具有多變量、時變、非線性等特性，可以簡單地調(diào)節(jié)各處調(diào)節(jié)閥的丌度使系統(tǒng)是最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)，主要考慮這兩種典型情況設計部分分散控制器實現(xiàn)對水位的控制，驗證本算法的有效性。
3、在網(wǎng)絡化四容水箱控制系統(tǒng)實驗裝置上進行具體仿真試驗。主要是考慮了四容水箱的最小相位系統(tǒng)，設計部分分散控制器達到實時液位控制的目的。
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參考文獻（略）

本文編號：19108