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基于预测原理的串级控制系统的设计与实现

作　者: 何宝嘉
导　师: 石红瑞
学　校: 东华大学
专　业: 系统工程
关键词: 串级控制 DMC-PID PPI-PID S7-300 WinCC 双容水箱
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


在常规的控制系统中,串级控制系统对改善控制品质有其独到之处,在工业过程控制中被广泛使用。串级控制系统适用于具有容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、非线性等特点的工业生产过程。研究串级控制在过程控制中的应用,有助于保持生产稳定、降低消耗和成本、提高劳动生产率,具有深远的意义。本文将预测控制算法与PID相结合,对串级控制系统进行了深入的研究,包括动态矩阵-PID (DMC-PID)串级控制算法和预测PI-PID (PPI-PID)串级控制算法的基本原理、算法优点以及可调参数对控制系统控制效果的影响,并且将该两种控制算法分别应用到双容水箱液位控制系统上,并得到较好的控制效果。本文的主要工作有：(1)串级控制算法研究。将预测控制算法与PID相结合,分别对DMC-PID串级控制和PPI-PID串级控制进行理论研究,使用MATLAB软件的m函数及Simulink工具箱对两种算法进行仿真,分析研究可调参数对控制算法的影响,并与单回路的DMC控制和PPI控制进行比较。(2)对象建模。采用阶跃响应法,对双容水箱液位被控对象进行建模,为控制算法提供所需的系统传递函数。(3)控制算法实现与应用。根据被控对象分别设计DMC-PID串级控制和PPI-PID串级控制。在Siemens S7-300的PLC平台上使用Step7梯形图编程、WinCC全局脚本编程以及数据交换实现对象的DMC-PID控制；使用Step7梯形图编程实现对象的PPI-PID控制。在WinCC监控软件上设计监控界面,对控制效果进行实时的监控。并将控制算法应用到双容水箱液位被控对象上。实现结果表明,与单回路控制方案相比,串级控制对于大滞后系统有着良好的控制效果,控制系统具有较好的抗干扰性和鲁棒性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-12
  1.1 研究的背景及意义  9
  1.2 研究现状及发展趋势  9-10
  1.3 本文的主要工作  10-12
第二章 基于预测原理的串级控制系统  12-27
  2.1 基于预测原理的串级控制系统简介  12-15
    2.1.1 基于预测原理的串级控制系统的基本原理  13-14
    2.1.2 基于预测原理的串级控制系统设计  14-15
  2.2 DMC-PID串级控制  15-24
    2.2.1 动态矩阵控制的基本原理  15-19
    2.2.2 DMC-PID串级控制的设计  19-24
  2.3 PPI-PID串级控制  24-26
    2.3.1 预测PI的基本原理  24-25
    2.3.2 PPI-PID串级控制的设计  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 双容水箱液位控制实验系统  27-37
  3.1 双容水箱液位控制实验系统的简介  27-29
  3.2 双容水箱液位控制实验系统的建模  29-36
    3.2.1 控制系统的结构  29-30
    3.2.2 系统数学模型的建立  30-36
  3.3 本章小结  36-37
第四章 基于预测原理的串级控制系统的仿真研究  37-48
  4.1 MATLAB仿真平台的简介  37-38
  4.2 DMC-PID串级控制的仿真研究  38-45
    4.2.1 DMC-PID串级控制的仿真程序  38-42
    4.2.2 DMC-PID串级控制的参数设计  42-45
  4.3 PPI-PID串级控制的仿真研究  45-47
    4.3.1 PPI-PID串级控制的Simulink实现  45-46
    4.3.2 PPI-PID串级控制的参数仿真对比  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章 基于预测原理的串级控制算法在双容水箱液位控制中的实现  48-79
  5.1 控制系统的组成  48-61
    5.1.1 硬件结构  48-50
    5.1.2 软件平台  50-61
  5.2 DMC-PID串级控制在双容水箱液位控制中的应用  61-70
    5.2.1 算法实现  61-69
    5.2.2 实验结果  69-70
  5.3 PPI-PID串级控制在双容水箱液位控制中的实现  70-78
    5.3.1 预测PI控制器的实现  70-75
    5.3.2 PPI-PID控制的实现  75-78
    5.3.3 实验结果  78
  5.4 本章小结  78-79
第六章 结论与展望  79-80
参考文献  80-83
攻读学位期间的研究成果  83-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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