基于FFT的实时系统控制模型的辨识与应用

论文摘要

PID控制是迄今为止最通用的控制方法。调查结果表明，90％以上控制回路中均采用自整定PID控制器。因此，PID控制器参数自整定技术是一门集自适应控制、智能控制、自动化过程控制为一体的高科技工程新技术，是当前十分热门的研究课题之一。然而由于被控对象参数变化，PID控制器参数也要随之变化，才能更好地控制被控对象，因此控制模型的辨识成为一个关键问题。基于频率特性的PID控制器参数自整定方法（SF法）是针对工程上常用的Z-N法与继电反馈法在获取临界周期Tc和临界增益Kc时可能会给系统带来扰动而提出的。该算法的创新之处在于它是基于连续频谱的识别，应用FFT进行时频序列转换然后在频域内建模。虽然该算法已在MATLAB中得到了仿真结果，但算法仍存在着一些不足，如导致频谱失真的主要误差因素-能量泄漏问题；重复性差及MATLAB仿真无法满足实时性要求等问题。本文针对上述问题，提出R（refine）-SF法，该算法在FFT（快速傅里叶）之前采用高通滤波来滤除信号的低频部分，使信号变化比较平稳的低频部分为零，再对其截断时，就避免了能量泄漏问题。同时巧妙地利用频率特性表达式中的除法将分子Y（jω）与分母X（jω）中混有的相同滤波器频谱消去。对重复性问题的研究发现是微分控制引起被控对象的输入信号峰值尖锐，在对其采样时的“栅栏效应”引起的误差。本文在LabVIEW平台下，通过OPC服务器连接下位机，使整个程序全部由LabVIEW和智能仪表的实时运算来实现，从而满足了实时性的要求。在实时系统中的实验结果表明，该算法求得的被控对象的频率特性与真实值相近，可以应用到需要求解被控对象频率特性的其他PID参数整定方法中。因此，该方法具有一定的推广应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 PID控制器参数整定方法
• 1.1 PID参数自整定方法
• 1.1.1 基于模型的自整定方法
• 1.1.2 基于规则的自整定方法
• 1.2 工程中常用 PID参数整定方法
• 1.2.1 Ziegler-Nichols频率响应法
• 1.2.2 继电反馈法
• 1.3 基于频率特性的PID参数自整定方法
• 1.3.1 SF法的基本原理
• 1.3.2 SF法的能量泄漏问题
• 1.3.3 SF法的重复性问题
• 1.3.4 SF法的实时性问题
• 本章小结
• 第二章 基于FFT的模型辨识系统总体设计
• 2.1 系统总体设计方案
• 2.1.1 系统设计思想
• 2.1.2 系统模型
• 2.1.3 系统总体设计
• 2.2 系统软件平台
• 2.3 系统频域分析工具
• 2.4 系统的频率特性
• 2.4.1 频率特性
• 2.4.2 频率特性的表示方法
• 本章小结
• 第三章 R-SF算法研究与仿真
• 3.1 R-SF法对能量泄漏问题的解决
• 3.1.1 能量泄漏与频谱误差
• 3.1.2 传统的离散频谱修正方法
• 3.1.3 R-SF法中能量泄漏克服方法
• 3.2 系统稳定性分析
• 3.2.1 稳定输入
• 3.2.2 稳定输出
• 3.3 R-SF算法对SF算法重复性差问题的克服
• 3.3.1 问题的分析
• 3.3.2 问题的解决
• 3.3.3 微分控制的选用
• 3.4 仿真研究
• 3.4.1 在 LabVIEW中调用MATLAB混合编程仿真
• 3.4.2 R-SF算法处理部分程序设计
• 3.4.3 绘制对数频率特性图程序设计
• 3.4.4 仿真参数选择
• 3.4.5 仿真结果及分析
• 本章小结
• 第四章 实时系统研究
• 4.1 实时系统概述
• 4.2 OPC技术
• 4.2.1 OPC基础
• 4.2.2 OPC数据存取（Data Access）规范
• 4.3 OPC与智能仪表的数据通信
• 4.3.1 MMB系统
• 4.3.2 OPC服务器配置
• 4.4 OPC与LabVIEW的数据通信
• 4.4.1 Datasocket技术
• 4.4.2 数据通信的实现
• 4.5 实时数据采集
• 本章小结
• 第五章 实验设计及结果分析
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 实验流程
• 5.1.2 人机交互界面
• 5.2 结果分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 稳定信号处理子程序
• 附录B 算法主体程序
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢