RBF-ARX模型在三容水箱液位预测控制系统中的应用

论文摘要

由于目前理论上的研究尚缺乏实际背景的支持,新的科研成果一旦运用到生产实际就难免出现这样或那样的问题,因此严重阻碍了理论研究在生产实际中的应用。三容水箱系统的非线性、多变量、耦合性等特性在很大程度上模拟了生产实际中的复杂过程控制对象,论文主要围绕三容水箱系统的建模与预测控制问题展开了深入的研究,具体包括以下几个方面的内容:首先着重介绍了RBF-ARX模型的结构。RBF-ARX模型是一种全局系统模型,能描述可在工作点附近局部线性化的、时变的非线性系统的动态特性,它的模型结构具有一个基本的线性ARX模型结构,其回归矩阵的系数是时变的,可由高斯径向基神经网络函数根据系统的当前工作状态在线计算得到。全局RBF-ARX模型的参数可离线辨识得出,而系统在工作点附近的局部线性模型则可以很容易的由全局RBF-ARX模型通过在线的简单转换计算得到,从而进一步避免了采用非线性规划方法解决基于RBF-ARX模型的预测控制中的含约束的在线优化问题。其次详细研究了三容水箱系统的非线性产生原因,并就三容水箱的各种建模方法和控制策略进行了比较,充分说明了RBF-ARX模型在三容水箱系统建模中的优越性,然后利用常规的PID控制算法采集到的系统全局范围内的数据为三容水箱系统建立了两输入两输出的RBF-ARX模型,并就模型各参数的辨识、优化和具体选择办法给出了详细的分析说明。再次在分析了两种基本的预测控制算法的基础上,根据预测控制的基本原理,提出了基于RBF-ARX模型的预测控制算法,并就其具体实现问题、参数选择问题和系统设计问题做了详细的介绍与说明。最后,论文给出了三容水箱实际对象的RBF-ARX模型的预测控制算法的控制效果和常规的PID控制算法的控制效果的比较结果。实验研究结果表明,基于RBF-ARX模型的预测控制算法与常规的PID算法相比具有动态特性好、鲁棒性强等特点,即基于RBF-ARX模型的预测控制方法对于三容水箱液位系统的控制是有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 三容水箱液位控制系统的研究情况概述
• 1.1.1 研究三容水箱液位控制系统的意义
• 1.1.2 国内外水箱液位系统的研究现状
• 1.2 预测控制的研究情况概述
• 1.2.1 预测控制的研究背景
• 1.2.2 预测控制的研究现状
• 1.2.3 预测控制的发展方向
• 1.3 RBF-ARX模型的发展和应用
• 1.3.1 RBF-ARX模型的发展历程
• 1.3.2 RBF-ARX模型的应用实例
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 RBF-ARX模型在三容水箱系统建模中的应用
• 2.1 三容水箱液位系统的简介
• 2.2 三容水箱液位系统的模型方案选择
• 2.2.1 三容水箱液位系统的非线性特征分析
• 2.2.2 三容水箱液位系统的控制策略分析
• 2.2.3 非线性系统常用模型的分析与比较
• 2.3 三容水箱液位系统的RBF-ARX模型
• 2.3.1 径向基函数（RBF）神经网络及ARX模型的结构
• 2.3.2 RBF-ARX模型的结构
• 2.3.3 RBF-ARX模型的辨识和结果分析
• 2.3.4 RBF-ARX模型与ARX模型在三容水箱系统中的建模比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 三容水箱的RBF-ARX模型预测控制
• 3.1 预测控制的理论基础
• 3.1.1 预测控制的基本思想
• 3.1.2 预测控制的分类及特点
• 3.2 非线性系统的模型预测控制算法
• 3.2.1 非线性模型预测控制的一般描述及模型处理办法
• 3.2.2 基于RBF-ARX模型的预测控制算法
• 3.3 三容水箱中基于RBF-ARX模型的预测控制算法的实现
• 3.3.1 三容水箱液位传感器的标定
• 3.3.2 数据采集及存储的实现
• 3.3.3 三容水箱中基于RBF-ARX模型的预测控制算法的执行步骤
• 3.3.4 RBF-ARX模型预测控制算法的参数选择方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 实际三容水箱控制系统介绍及其预测控制结果分析
• 4.1 实际三容水箱系统上位机监控系统介绍
• 4.2 实际三容水箱液位预测控制效果及分析
• 4.2.1 三容水箱的RBF-ARX模型预测控制及PID控制的实际参数
• 4.2.2 三容水箱的RBF-ARX模型预测控制与PID控制的效果比较
• 4.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要的研究成果