基于自校正控制的大滞后控制过程的研究

论文摘要

在实际工业生产过程中,广泛存在着时滞。时滞的存在对工业控制系统的性能产生不利影响,特别是当时滞较大,惯性时间较长并且过程对象的动态特性随各种因素的影响而发生变化时,采用传统的控制方法,如PID控制方法,很难获得良好的控制效果,甚至会出现不稳定现象。因此,如何改善大滞后控制过程的控制品质是一个有着较大实际意义的课题。本文对自校正控制理论的背景进行了介绍。研究了目前应用于实际工业大滞后系统中常用的PID调节器、Smith预估和自校正控制这三种控制算法,经仿真研究,分析比较了它们在大滞后控制系统应用中的优缺点,得出了自校正控制技术更具有优势的结论。通过仿真研究了算法中参数的设置问题。本文对于模型的阶次,经过仿真发现,可将阶次设置为一个比实际模型的阶次稍大的值,这样既不影响系统的稳定性,又可以适应过程对象模型结构的慢时变性;使用损失函数法来确定模型的滞后时间常数;对于递推参数和协方差矩阵,在仿真开始时,利用自校正控制器先对其进行辨识,但控制器并不对控制输出进行计算,将自校正控制器投入运行时,这两个参数就已经是辨识好的并且适合于本系统的初值。这样设置参数能既保证控制系统的稳定性,又适应系统时变的动态特性。并且针对自校正调节器所存在的问题,即控制器的输出振荡的问题和系统崩溃问题,在控制算法中让遗忘因子等于0.9999,同时对控制器的输出、递推参数、增益向量和协方差矩阵引入加权滤波的控制思想,给出了一种修正的自校正控制算法。最后将修正的自校正控制算法应用到换热元件综合试验室的加热器温度控制系统中进行仿真,这个系统是一个典型的具有大时滞、大惯性及慢时变特性的控制系统。仿真结果表明,其控制性能明显优于常规的PID控制器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 大滞后过程的控制方法
• 1.2.1 PID控制
• 1.2.2 Smith预估控制
• 1.2.3 自适应控制
• 1.2.4 智能控制
• 1.3 本文的主要内容
• 2 自校正控制理论的背景介绍
• 2.1 自适应控制
• 2.1.1 自适应控制系统的定义
• 2.1.2 自适应控制系统的分类
• 2.2 自校正控制器
• 2.2.1 最小方差控制
• 2.2.2 递推最小二乘法
• 2.2.3 自校正调节器
• 3 大滞后系统中常用控制算法及仿真研究
• 3.1 PID控制及仿真
• 3.1.1 PID算法
• 3.1.2 PID算法仿真
• 3.2 Smith预估控制及仿真
• 3.2.1 Smith预估算法
• 3.2.2 Smith预估控制算法仿真
• 3.3 自校正控制算法仿真
• 3.4 控制系统在不同情况下仿真对比分析
• 3.5 小结
• 4 自校正控制在大滞后系统中的仿真研究
• 4.1 自校正控制参数设置分析
• 4.1.1 模型阶次n的设置分析
• 4.1.2 滞后时间d的设置分析
• 4.1.3 其他参数设置分析
• 4.2 经典自校正在仿真中出现的问题
• 4.2.1 控制器输出发生振荡
• 4.2.2 仿真时系统崩溃
• 4.2.3 系统崩溃问题的解决方案
• 4.3 修正的自校正控制算法
• 5 自校正控制在加热器温度控制系统中的仿真应用
• 5.1 加热器温度控制原理及建模
• 5.1.1 加热器温度控制原理
• 5.1.2 被控对象的数学建模
• 5.2 仿真研究
• 5.2.1 常规情况下系统仿真
• 5.2.2 参数慢时变时系统仿真
• 5.3 仿真结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢