基于Toeplitz方程的广义预测控制及其在液位控制中的应用

论文摘要

针对传统的广义预测控制算法需要求解Diophantine方程,具有较大计算负担的问题,本文设计了基于Toeplitz预测方程的广义预测控制器。采用Toeplitz预测方程,可以用过去的输入输出和未来输入的线性组合表达未来的预测输出,从而避免了Diophantine方程的求解。在对未来输入进行有限时域滚动优化计算后,将加权优化的思想应用在控制律的求解当中,使控制效果得到进一步的改善。通过比较传统算法和提出算法的在线计算时间、跟踪变化设定值的速度以及控制时域变化对控制效果的影响,验证了所提出算法的快速性和优越性。另外,数值仿真也验证了对控制律进行加权优化具有提高控制效果的作用。以A3000过程控制实验系统,SIMATIC S7-300及CP5611通讯卡组成的网络控制系统作为实验平台,用Matlab语言及组态软件-KingView分别开发控制算法和控制界面,并将所提出的基于Toeplitz预测方程的广义预测控制器应用在液位控制系统的实时控制当中。在实时控制实验过程中,通过改变设定值以及令被控对象特性发生变化,来检测新控制器的控制性能,均达到了较为理想的控制效果。实验结果证明了该广义预测控制器的正确性以及可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 预测控制研究进展
• 1.2 广义预测控制研究进展及现状
• 1.3 本课题所做工作
• 第二章 广义预测控制
• 2.1 预测控制的基本原理
• 2.2 广义预测控制的基本原理
• 2.2.1 GPC 所基于的模型
• 2.2.2 GPC 的控制方法
• 2.2.3 GPC 控制算法的参数选择
• 2.3 广义预测控制算法实现与仿真分析.
• 2.3.1 算法实现步骤
• 2.3.2 仿真分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于TOEPLITZ 方程的广义预测控制
• 3.1 TOEPLITZ 预测方程
• 3.2 控制律的求解
• 3.3 控制律的加权优化
• 3.4 自适应控制算法的实现
• 3.4.1 辨识模型
• 3.4.2 算法步骤
• 3.5 仿真分析
• 3.5.1 快速性
• 3.5.2 跟踪设定信号的能力
• 3.5.3 对控制参数时域长度的要求
• 3.5.4 对辨识模型精度的要求
• 3.5.5 加权平均在控制律求解中的应用
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验控制系统的构建与开发
• 4.1 A3000 过程控制实验系统介绍
• 4.2 液位控制系统简介
• 4.3 液位实时控制系统的开发
• 4.3.1 硬件平台－西门子S7-300
• 4.3.2 软件平台－组态王
• 4.3.3 控制算法的实现
• 4.4 数据采集与通讯
• 4.4.1 工控机与PLC 通讯的实现
• 4.4.2 PLC 与组态王通讯的实现
• 4.4.3 组态王与MATLAB 通讯的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 实时控制实验
• 5.1 采样时间的选择和实现
• 5.2 模型辨识
• 5.2.1 辨识算法的实现
• 5.2.2 输入信号的选择
• 5.3 控制结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 硕士期间所做工作
• 致谢