基于H∞最优灵敏度的串级控制算法的研究与应用

摘要

现代工业中的生产工艺越来越复杂,特别是在石油、化工等过程控制领域,对控制系统的品质要求也日益提高,单回路系统往往难以满足要求。串级控制是一种在传统单回路结构下进行性能提升的控制系统。一直以来对串级控制的研究主要集中在两个方面:一种是对控制器的整定,由于串级控制在结构上形成两个闭环,主、副控制器任务不同,对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同的考虑,相对于单回路系统,其整定方法也更为复杂。另一个研究领域主要集中在对传统串级控制在其结构上进行优化,如将串级控制与内模控制或史密斯预估器相结合,从而有效地进行输入信号的无稳态误差跟踪和对大时滞系统进行补偿。本文在分析串级控制两种改进方法的基础上,设计了一种改进型的串级控制系统,副回路采用内模控制器,根据内模控制原理可以有效、快速地消除二次干扰;主回路以最优灵敏度为设计指标,由H,最优控制理论得到主控制器整定参数,并可将系统化简成标准的串级控制结构。控制对象采用双容水箱,通过Simulink与其他几种串级控制算法进行仿真比较,结果表明本文算法在设定值跟踪、负载扰动抑制及系统鲁棒性等方面的性能指标均有更好的表现。本文最后将所设计的参数整定方法通过C语言编程嵌入SIMATIC WinCC全局脚本文件中,使用Siemens S7-300PLC作为控制器,应用于

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摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 本文的研究目的与意义

1.2 本文的研究背景与现状

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究现状

1.3 本文的主要工作

第2章 双容水箱模型的建立

2.1 引言

2.2 控制对象的系统构成

2.2.1 被控对象

2.2.2 压力传感器及电动调节阀

2.3 控制对象建模

2.3.1 机理法建模

2.3.2 试验法建模

2.4 小结

第3章 H_∞鲁棒控制的数学基础

3.1 引言

3.2 函数空间与H_2和H_∞范数

3.2.1 函数空间

3.2.2 信号的范数

3.2.3 系统的范数

3.2.4 对象的不确定模型

3.3 频域中的H_∞控制问题

3.4 小结

第4章 基于H_∞最优灵敏度的串级控制算法研究

4.1 引言

4.2 灵敏度函数和补灵敏度函数

4.2.1 灵敏度函数的定义

4.2.2 控制系统的灵敏度函数和补灵敏度函数

4.3 最优灵敏度控制问题

4.4 基于H_∞最优灵敏度的串级控制的研究

4.4.1 副回路控制器C_0的推导

4.4.2 主回路控制器C_1的推导

4.5 小结

第5章 基于H_∞最优灵敏度的串级控制算法仿真

5.1 引言

5.2 Simulink仿真环境简介

5.3 PID控制算法的研究

5.3.1 PID原理

5.3.2 PID调节器参数的整定

5.3.3 PID—P串级控制算法仿真

5.4 基于H_∞最优灵敏度的串级控制仿真

5.5 小结

第6章 基于H_∞最优灵敏度的串级控制算法在S7-300PLC控制系统中的实现

6.1 引言

6.2 控制系统构成

6.3 编程软件STEP7

6.3.1 编程语言

6.3.2 硬件组态

6.3.3 符号表与逻辑块

6.4 SIMATIC WinCC简介

6.5 PLC与WinCC的通信连接

6.6 基于H_∞最优灵敏度的串级控制算法的实现

6.6.1 主、副控制器离散化实现

6.6.2 WinCC全局脚本编辑器

6.7 小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢