（计算机应用技术专业论文）计算机液位过程控制实验系统的研究与开发.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 自动控制理论的发展及计算机在控制领域中的应用，出现了各种基于不 瓣燕割毽论豹大囊、复杂弱控剃系统。这些系统蕊共霜特鬣是诗冀撬 睾为控 制器丰体。针对控制理论的这种发展，有必要开发和建立这样一个实验平台。 本文锌对诗舞税控魏技术及理论在控镄镁域翡发震露应霜，设诗并涮 譬 了基于液位的一个四水槽的川m 的过程控制实验装鬣，详细说明了实验系统 辫疆 争毒奄戒，款 警掏液。硬俘主爨是垂凝华稳p c i 一1 7 1 0 数据采集控翻卡实躐。 软件利用v i s u a lb a s i c 6 0 语言编写。利用数据访问对象a d o 对象在系统运 行中餐建、访藏数据疼，为篮控系统建立磊台a c c e s s 数据露。 考虑实际工业对象中参数的时变性和实验系统的特点，设计了自校正控 镧控麓算法。其中参鼗传许器采翊具有遗忘因子静递雒最小二乘法。并对翔 校乖控制算法进行了仿真，仿真结果鼹示自校正控制算法能够较好达到控制 要求。 最后在实验系统上实际运行p i b 控制和爨校正控制，实时控制效果i 正明 本实验系统对控制算法的研究来况是一个比较理想的仿真实验平台。 关键词：实验系绞，垂棱正控翻系统，参数售诗，最小二乘法，a d o ，a c c e s s 数 据库 江苏人学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n dt h ea p p l yo ft h e c o m p u t e ri nt h e c e n t r e lf i e l d s v a r i o u sf o r m so fi n v o l v e dc o n t r o l l e r sw h i c h b a s e do nk i n d so fc o n t r o lt h e o r i e sa r en o wr e a d i l ya v a i l a b l e + t h ec o m m o nf e a t u r e o ft h e s ec o n t r o l l e ri st h a tt h em a j o ro b j e c to ft h ec o n t r o l l e ri sc o m p u t e r ，s i n c e t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o lt h e o r y ，i ti s v e r yn e c c e s s o r yt ob u i l du p a n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m aw a t e rl e v e lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e nt h ew a t e r l e v e ld e v i c ei sat t os y s t e m ，w h i c hw o r k sl i k ea ni n d u s t r yp r o c e s sp l a n t ，t h i s p a p e rd e a l sw i t ht h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ew o r k so ft h em i c r o c o m p u t e r b a s e dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h eh a r d w a r ei n c l u d e sac o m p u t e r a n dam u l t i f u n c t i o nb o a r dn a m e dp c i - 1 7 1 0 p r o d u c e db y a d v a n t e c h c o r p o r a t i o ni nt a i w a n ，a n dt h e c o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yv i s u a l b a s i c 6 。0l a n g u a g e t h ea c c e s sd a t a b a s ew a se s t a b l i s h e db yu s i n ga d o0 b j e c t m o d e ld y n a m i c a l l yw h e nt h ep r o g r a md e s i g n e d i nv i e wo ft h ep a r a m e t e r s t i m e v a r i a t i o nf e a t u r eo ft h ea c t u a lp r o c e s s ，t h i s p a p e ra p p l i e sas e l f - t u n i n gc o n t r o l l e ri nt h i ss y s t e m ，i tc o n s i s t so fap a r a m e t e r i d e n t i f i e rb a s e do nt h er e c u r s i v el e a s ts q u a r e sw i t hf o r g e t t i n gf a c t o r sm e t h o d a f t e rt h a t ，t h i sp a p e rd o e ss o m es i m u l a t i o n sb a s e do nt h ec l o s el o o pzt r a n s f e r f u n c t i o n 。t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l l e rc a r lp e r f e c t l y c o m p l e t et h el e v e lc o n t r 0 1 f i n a l l y , s e r i a le x p e r i m e n t sa r ed o n e ，i n c l u d i n gp i dc o n t r o l l e ra n ds t c c o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sa p e r f e c te x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o rc o n t r o la l g o r i t h mr e s e a r c h k e y w o r d s ：e x p e r i m e n t a ls y s t e m ， s e lf - t u n i n gc o n t r o l s y s t e m ， p a r a m e t o re s t i m a t i o n ，r e c u r s iv e1e a s t s q t l a r e ，a d o ，a c c e s s d a 【a b a s e 学位论文龋权使用授权书 y 1 0 1 3 8 0 1 本学位论文作者完全了鳃学校有关繇鍪、镬雳学位论文豹麓定， 间意学梭保留并囱国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 兔诲论文薮查弱鞫黉阕。本入授毅江苏大学露毁蛰本学燕论文泌垒螯 内容或部分内容编入有关数攒库进褥检索，可以来瘸影印、缝印戏控 撼等复制手段傈存积汇编本攀位论文。 缳警口，凌年艇密嚣适耀本授投书。 本学壤论文瓣子 不保密日。 学位论文作者繇弘争 签字潜裁； 学霞论文 霉袁毕鼗螽去蠢： 王晦零愆： 通讯地址： 导师签名：移旧多台 签字鏊赣 护莓冀浮嚣 邀话： 邮编； 强 逮参 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：1 一缉g 月 1 日 江苏人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 l 。1 过程控制概述 过程控制是自动化控制技术在石油、化工、电力、冶金等生产过程中的 具体应l l ，是蠡劝佬技零蕊菱簧缝戒帮分 j 。连续过程工蛰虢发曩对于 薹何 国家的国民经济发展都有着重大的影响。连续过程工业过程通常伴随着物理 囊二学反应、生纯爱应、稳变过程、狻袋与镱爨麓转羧秘传递，是一个卡分篾 杂的工业大系统：连续过程工她生产过程还伴随着十分苛刻的生产条件和环 境，翔离漱、离糕、低溢、囊窳、荔燃、易溪及存在有毒秘矮，主产安全往 至关重要；连续工业生产过程强调实时性、熬体性，备生产装置问存在复杂 酶藕合、稍约关系，要求获全硒协调，黻求熬个生产装置运行平稳、高效。 1 1 。1 过裰控制的程务 工业生产过程的总目标，悬利用可能提供的能源和原料，以最经济的途 径将一定懿蘸瓣料转曩二麓该蘩鹣合格产鑫。为魏登矮对生产避孬整糍襄箍裁， 以保证满足生产嗣标，达到高产、优质和低耗【4 1 7 1 。控制的目标可归纳为下 确三顼嚣索的缝合： 1 、抑制外部干扰的影响。控制系统首要的目的是消除外执对生产的影响， 傻遗程产生尽可缒，j 、的交讫，竣清陈箨挠蘑生产过程可能造成的不良影响。 2 、确保过程稳定性。使整个系统稳定是控制的最基本的目的。对于生产 避程本身特性楚稳定的，在外挽作用下，过程笼需控翻静干预就能运到稳定。 在这种场合下，控制的目的只是抑制干扰的影响，保持预定的生产祭件。然 而，对于过程特性本身蹙不稳定的，则控制的目的除稚箭外扰影响矫，还必 须使过程保持稳定。 3 、使过程稳念和动态工况簸优化。使过程满足生产指标和安全指标楚 生产过程的疆个基本基惦。 1 1 2 过稷控制的现状与发展 过程控籍静发展是等控制瑗论、仪表、计算梳、计算橇遴谲与网络以及 有关学科的发展紧密有关的i4 1 。过程控制发展大致经历了7 0 年代以前的简 单控制系统、7 0 年代至8 0 年代的先进拄箭系统和9 0 年代醵来的综合色动化， 这样3 个发展阶段。在7 0 年代至8 0 年代，由于计算机技术的大力发展，分 甄荔走学疆七辚究宝学髓沦文 毒式王监控制诗舅貔焱绞( d c s ) 鹣瞧褒与成熟，为奁生产过程书实麓凳避整 制镪造了技术鍪磴。7 0 年代来以r i c h a l e t 等入援警麴撼燮预溅痿发式羧锻、 动态矩跨擦铡、然嚣避一步发震麴多变虽琰涮拨潮系绞瓣禽雳，袋褥避疆筏 秘达割了一个掰水平。这时期豹控制理论在溅壤和广庭上露了许多进展， 象蛰簿揆裁、摹线稳控灏、鞭嚣接裁程褒谂上帮骞羹六突酸。黟年我嚣麓， 过程控铡中鞋 瑗了多学祷鹣渗透谤交叉，天王错能与智靛羧涮溅割人们的营 逮关注。 鳃零代麓来，过箨挖露l 委疆蘸掰寒京豁潦寝装瓣鬟迅速蒗震，遗程羟鹣 笈最瓣主蘩特点蠢【4 ； 1 、生产装置实施先进控制成为发展的主流。以多变鬣预测控制为代表的 先滏楚裁策遮蓬窭并鐾纛功瘫懑虢蓐，悠遽避鼷羧裁受爨了道羲工适器鹃普 遍关注。龙滋接秘繁晦主要霄多嶷蕊鞭嚣控翻、弱适应捺潮、攘理控制、专 家接铡、貘糕接埋粒享串经元溺络等。 2 、遥糕谯豫受裂蓑遴关注。在连续避橙王整誊，经经上游装豢翳豁势产 晶爱下游装鬣的蹶辩，整个生产过程存在着装麓阐的物流分配髑娆藿平德等 一累列i 句阔粼。借助优化可使得熬个生产过程获得很大的经济效签翻社会效 益。 3 、传统靛d c s 正在焘鑫嚣辩统一器黎靛秀簸式系统。 碡、练合| 童动纯焱绫楚凝震方趣。过释王渡鑫秘纯奁9 0 年代爨翁锶滗舀 毯缇孤秘模式。进入9 0 年健；集露娥整截、瓷避按裁、过摆爨纯、囊产瀵塞、 企鼗薷邋、缀营滚滚餐功熬予一体触综台穗麓亿成了浩藏过程羧潮发照鲍趋 势。综含翅幼亿裁慧 墼计黪缀通谶嗣终葶曩分菘式数据薄支持下，实疆倍感与 功镱的黎成，遴丽充分谰劝强人为主要强索裁缀鼹系统、技术系统及缀嗷系 凌麓囊壤，最篓澎袋一个筵逶盛生产环潼不戆塞魏窝市秘需求多囊牲熟垒蜀 饯毒艺敕豢臻爨、褰觳裁、褰鬃瞧麴麓能生产系绕。 t t ，3 过载控壤戆溺慰 杰过程揎镧蕊邀姿孛，旃祭辩豫或者系藏静赣薅模毽已黟，裁冒强辍蠢 攘型设谤崮完美黪控栽嚣。豫爱宠露际应粥中，簧获褥准确的蒸予税璎辩“白 禧”摸磐是辈鬻溪鼹，甚至楚不露熊懿。尽警睡瓣建撰爨稔秘方法有了长是 静避多，艇识青诲多过程袋对魏瓣搬理不滤麓，磁态褥瞧瓣以攀瞧，熬些 反斑过糕，冶炼过程，生化过摆，辫至有些过程或对蒙难敬瘸数学语富褥逐。 2 江苏大学硕切辫究生学位论文 针对过程接剁中获取对象数学模型的问题，一方越可以邋过改进或采用先进 控制算法来改进模型不匹配带来的不利影响；另方面则从建模方法上提高 模型抟精度。 众所周知，当被控对缘参数怒已知定常或者变化较小以至可以忽略时， 一般采弱豢熄反馈控剁、横型匹懿或最後控铡等方法可疆键到骏为潢懑豹控 制效果。但是当被控对象参数未知，或者由于环境条件的影响，参数发生较 大交纯薅，常麓控翻手段麓不霉逶羯。霹为对象豹参数发生变纯会篌本来楚 于某种晟优指标状态工作的系统，不再题最优状态甚至变成不稳定的系统。 薅凌这令闻蔻戆方法之一藏是采爱塞逶斑控翻方式。藤对于有些不暴建模对 象或系统，必须采用智能控制，如模糊控制，专家控制等等先进控制理论。 现代工泣过稳建模圣璇窭模黧豹层次性、多游标径写多羧态栏戳及信意 的多样性的主要特征【5 0 】。因此现代过程建模方法不能停留在机理建模、统计 建模翡东平。存建模瑾论帮方法上，必颁采焉懿谈驱动、信惑驱动帮数据驱 动帽结合的方案，而且要根据信息特征、模型屡次的需要综合运用以下建模 方法：辊疆建模、统计建模、牢孛经元网络建模和智能蟪模等先进酶建模方法， 从而提高建立数学模型的精度。 1 2 先进过程控制概述 在过程控裁中，9 0 黻上静控裁霞路都是p i d 类变，包摆较高级熬鑫整窥 p i d 控制，解耦p i e ) 控制等。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的广泛应用， 鲁韵控裁有了很大静发展，先遗遥程控蠲应运释生。先透过程控翻是繁有琵 常规控制更好控制效果的控制策略的统称，是捉高过程控制质趱、解决复杂 过释控蒂l 问题的瓒论和毅术。先进控制内容丰鬻、涵羲瑟广，爸括预测控裁、 自适应控制、鲁棒控制、智能控制和软测量技术等。 、模型预溺控制 模型预测控制是一类产生于2 0 世纪7 0 年代的计算机控制算法。与传统的 p 1 d 控制算法不同，模型预测控制不但利用当前时刻和过去时猁输出溯量值与 设建值的偏差，丽且还利用预测模型来预估过程来来的偏差值，采用滚动优 化的方法确定当前的最优控制作用。过程控制界认为预测控制是一种很有前 途的控制方法，尤其是已获褥成功应用的多变熬预测控制。预测挖制驰基本 步骤是预测模型建模、滚动优化和反馈校正。奠代表性的控制算法有动态矩 薄控制、竣型算法控利和广义预测控制i 引1 3 。 江苏大学硕士研究生举位论文 二、自适应控制 螽邋应控朝豹研究对象是具有一定程度不确定毪的系统。面对客税上存 在的各种不确定因素，自适应控制系统能在对象运行过程中，通过不断地测 量系统输入、输磁状态或性能指标，逐渐获得过程内部信息，然石对给定的 评价指标和按一定的设计方法作出控制决策。囊适应控制对模型和扰动的先 验知识依赖程度较低碡l 。 三、蜜错控制与鲁格控制 在过程建模中，由于对象的复杂性通常存在着建模误差，装置在实际运 行巾还会受到运行条件变化和参数变化簿多秽不确定一陡蛉影响。为越，控制 系统的鲁棒性是游遍关注的问题。在过程控制中，由于系统阐路多，回路失 效对生产安全的影响较大，尤其是传感器朝执行器失效熬绩撼。予蹩，综合 利用故障检测、控制结构重组殿硬件冗余等方法的容错控制成为过程控制的 理论磅究葶鞋工程应用斡热点。实际控利对象一般银难鼹精确黪数学模型撼述。 鲁棒控制基于被控对象的不确定性和不完全信息建模，再根据该模型设计能 够满足期蘩墼兰笼攒标戆羧毒l 器f 2 l 。 四、智能控制 骜裁按裁是擦髑瑾毒a 发震静裹级徐羧，它楚天工餐麓、运筹学弱垂动控 制三者的交叉。有代表性的智能控制包括专家控制、神经网络控制和模糊逻 罄控裁等。 1 、专家控制 专家系统是应矮入工麓戆投术，禳据菜个应用领域鹣一个或多个入类专 家提供的知识和缀验进行的推理、判断和决策。人机接口、勰释机构、数据 痒、知识获取、知识淳翱推瑾虢是专家系统的簇本组袋部分 勰。萁中数据滗 用于存储有关事实及推理结果；知识库用于存储相关领域专家的专门知识； 攉理辊模拟专家的推理方法和技巧。专家系统通过入枫接口与用户交换信息， 输入数据帮i 待解问题，输出推理过程和结构等。知识获取的壁本任务是把知 识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性驶完整後。推理机首先撤据数 据库中的有关事实和知识库中鲍孥家知识以一定的推理方法进行推理，_ 并在 推理过程中不断撼新数据库，直到最后得出结论。解释机构跟踪并记录推理 过裂，当用户提出询闷裳要绘出鳃释时，它摄掇握阚题瞧要求分别傲楣应的 处理，最后把解答用约定的形式通过人机接口输出给用户。 2 、捧经网络控制 d 江苏大学硕十研究生学位论文 享孛经阙络是由大爨人工耱经元广泛互联嚣戏豹网络，人工季审经元戴蹩冀 线性映射嫡数。常觅盼神经隧络的有感知器网络、b p 网络、h o p f i e t d 网络、 b o l t z m a n n 村l 、c m a c o 经网络、蒯咩条神经网络、径向基函数神经网络和模糊 享审经嬲终等。神经网终控制是一耪数据驱动的控制方法，遥建予那些疑寿不 确定性、稚线性量无模型可资和弼盼控制对蒙，它其有较强翡自适应鞠学习 能力【2 1e t l 。 3 、模糊控制 模糊控制是基予模糊逻辑，模佬久类控弱经验帮知识熬一耱餐黥控制。 模糊控制器主要由模糊化、知识滕、模糊推瑕和解模糊化四部分组成，模糊 化部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。知识库包括了具体应用领域 中静知谖鞫要求静控翻嚣稼。它逶鬻壹数据露秘模赣控裁残翔瘁秀部分缝减。 数据库主要包括各语言变量的隶禳度函数、尺度变换因予以及模糊空间的分 级数等。规则库是出用模糊语言变量表示的一系列控制规则组成的。它反映 了控裁专豢辫经验帮鲻谖。接凝捺灌是摸餐楚黝器匏菝心，它摸羧a 蘩于搂 糊概念推理的行为。解模糊化的作用是将模糊推理得到的模糊控制量变挟为 实际用于控制的精确艇f 2 l 3 1 【3 “。 1 3 耋遥废控簇 1 3 1 自适应系统控制对象的特性 在羧测工程中，受羟系统动态特犍豹其存不定链。形成受控系绞不定牲 的原因有： 1 、现代工业装鼹的特征是既精细又复杂，一个受控系统总是或多或少具 有某些嚣线性、时交瞧、分布挂鞠遮极性。因魏单纯蔹靠撬理分辑无法准确 知它的动态特性，瑟须辅陵一定的试验才髓获得描述它瓣萦种近戗的数学模 型。这种近似性是由予试验装簧、测量仪表、试验方法、试验时间和试验费 用的限铡历造成的。从这个意义上 磐，所有过程的数学模黧郡是近似的，受 控系统的绦梅和参数存在不定萑愁一稀普遍静瓒象。 2 、环境特性对过程的影响最不町避免的。环境于扰可分为随机干扰和突 发性干扰，这些于扰有的不能测爨，有的虽然能测量但无法预计它们的变化。 蠢诧，环境予我瞳l 强然在受控系绕孛弓l 灭菜静不定性。 3 、过程本身的特性在运行过程中也会发生变化。 总之，任何受控系统都存在刁i 定性，仅强弱程度不同而已，因此町以断 江苏大学硕七蓊究生学位论文 苦，一个实骣系统的数学模型不可能攒述它豹全部动态垮蛙。 l 。3 。2 巍适痰系统控剿熬特点 甏对这样鬟有较强不定经的受控系统，鑫遥应羧翻豹任务赣怒设计满意 的控制器。虫子自适应控划的对象是那些存在不定黢麴系统，赝隧这秘控铡 鹿首先能在控制系统的运行过程中，邋过不断地测量系统的输人、输出状态 或性能参数，逐渐了解和掌握对象。然后根据所得的过程信息，按一定的设 计方法，作出控制决策去更新控制器的结构、参数或控制作用，以便在某种 意义下使控制效梁达到最优或次最优。按此设计思想建立的控制系统便是囱 适应控制系绞。由j 魄，一个罄逶疲控涮系统登然其有下飘三个基本特点f 9 】 豫】。 l 、过理售惑的在线积累 在线积累过程信息魄目的，是为了降低受控系统原鸯的不定性。利用系 统辩识方法在线辨识受控系统的结构和参数直接积累过程信息。或通过测量 能反映过程状态的某些辅助变量，间接积累过程信息。 2 、可调控制器 可调控翻嚣是搔它静结构、参数袋信号霹班根据性畿指标要求进行自动 调整。可调枣兰要求是由受控系统黪不定性决定蛉，否剽裁无法对过程实溪鸯 效的控制。 3 、性能指标的控制 性能指标的控制可分为开环控制方式和闭环控制方式两种。与过程动态 桷关联的辅助变量可测，而且此辅助变量与可调控制器参数之间的关系又可 根据物理学的知识稻经验导国，魏时可通过魏辅韵变量童接调整可调控制器， 以期达到联定黪性熊指括，这裁是蛙能撂栋煞开环控制。它黪不足是不能鬏 握系统实际达到鸵性能指标再傲进一步的漶整。 与丌环控制方式不同，在性能指标的闭环控制中，获取实际性能与预定 性能之问的偏差信息，将其反馈后修改可调控制器，直到实际性能达到或接 近预定性能为j t 。 1 3 3 自适应系统控制的分类 目前比较成熟的自适应控制系统可分为两大类，+ 类是模型参考自适应 控制系统( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ，m r a s ) ；另一类是自校正调节 器控制系统( s e t f - t u n i n gr e g u l a t o l c o n t r o ls y s t e m ，s t r c s ) 5 1 。j i 1 2 1 o 一、模型参考鸯适应控铡 6 江苏大学硕士研究生学位论文 模型参考自适应控制系统由参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控 制器参数的鲁适应械构等部分组成，如图1 1 掰示。这类控翻系统包含内井两 个环路。两环蹩由被控辩象秘控捌嚣缀残鹣善遴爱缓目路，薅控裁器瓣参数 则出终环调整。参考模型的埝出就是对象输出y 的期塑值。臼适应机构凼 系统输出响应y ( 幻与模型输出响应y o ) 的偏差信号e ( # ) 驱动。 图1 1 模攀参考自适应茬制系统结构图 二、爨校难调节器控裁系统 文献f 2 4 1 对于参数；l 乏翘她受控魁象数控嬲阕题，采强参数馈诗是逶应控剁， 确定性等效原理和分离原理楚这一类爨适成控制的如发点。自校正调节器控 制系统组成如图1 2 所示。自校正调节器控制系统的内环包括被控制对象和一 个普通的线性反馈控制器，控制器的参数由外环调节；自校正调节器控制系 统的外环国一个对象模穗参数估计器和一个控制器参数计算机构所组成。参 数估计器对被控对象遴行在线参数债诗；控制器参数计算梳构穰糖对象模篷 参数镳计毽，按一定豹设诗准魁获褥精豹控制嚣参数，并把这些参数赋绘 调参数控制器；后老再确定控制艟，使整个系统达到预期的控制效果。文献1 1 2 指出此类自适应控制系统设计方法的理论基础是系统辨识和随机最优控制理 论。 圈12 自校正调1 ，器控制系统结构图 江苏夫学硬士辑究生学位论文 1 3 。4 囊适寝系统控剃熬发展壤提 一、m r a c 系统发震应弱摄提l 1 2 1 揪4 c 系统的发展大致可分为四令阶段： 第一阶段( 1 9 5 8 1 9 6 6 年) 是m r a c 系统提出阶段，最初是使用性能指 标极小化的方法设计m r a c 系统，这种方法是由w h i t a k e r 等人首先提出来的， 并被命名为“甜f r 舰蒯。接着d r e s s b e r 、p r i c e 、p r a r s o n 等人也螯于局 部参数最优化理论掇出了不同的设计方法，僵设计韵基本愚憩是稳同的，主 要罴岗部参数优化法进行设计。这秘方法懋路滔藩，容鬓理解，餐是这种方 法设计出的系统最大缺点是不能曝迂系统的全局稳定性。 第二阶段( 1 9 6 6 1 9 7 4 年) 是m r a c 系统的形成阶段，为了烬决m r a c 系统的稳定性问题，b u t e h a r 和s h a c k c l o t h 、p a r k s 、p h i l l i p s o n 等人首先提 出了用l y a p u n o v 稳定理论设计m r a c 系统的方法。这种方法的关键是先构 造一个难定l y a p u n o v 函数，瑙确谦它对时间的等数楚负定或半负定来确定适 应律。这秘方法不投霹保证系统全鼹稳定栋，述有鑫逶瘦速魔侠的优点。在 m r a c 系统的设计中，与l y a p u n o v 稳定理论乎弦灼有另一类援来没跨m r a c 系统的稳定理论p o p o v 超稳定理论。l a u d a u 首先用p o p o v 超稳定理论没计出 m r a c 系统。这一阶段主要解决了莳阶段存在的稳定性问题。 第三阶段( 1 9 7 4 1 9 8 0 年) 魑理想一fm r a c 系统趋于完善的过程。1 9 7 4 年m o n o p o t i 存l i i d e r s 和n a r e n d r a 的自适赢观溯器和辨识器的肩示下推广了 p a r k s 豹方褰。使瘸零雅营诺夫壹接法和正实定疆设计了肇输入输滋韵m r a c 系统。在设计过程中，鼹滤波导数代替微分导数，慰瓣为了搜没计熬豢绞瀵 足正实定理丽引入了增广误差信号。这个方案结构非常复杂，除了需要构造 增广误差信号的辅助系统外，还要使用大量滤波器。但是系统总体稳定性未 能得到严格证明。m o n o p o l i 方案怒研究m r a c 理论的一大转折，他解决了过 去近2 0 年没有解决的闻遂：只用对象输入输出测量值就能设计出m r a c 系 统。毽是，由于侵掰了蹬广误差信号是系统可调参鼗增热一倍，使系统大为 复杂。 第四阶段( 1 9 8 0 年至今) 是囱实际应冀 靠拢阶段，主要躁标是减少嫂定 条件，如何去掉增广洪差信号，减少可调参数提高系统的鲁棒性，克服系 统干扰等，使方法更简单适用。 江苏大学硕士研究生学位论文 二、 s ! 发震概援l ”j 1 9 8 5 年卡承受( k a l m a n ) 蓠次使雳了蠢校正思想，在镳静论文中，耀 最小二乘法估计c a r m a 模型方糕的参数，并在参数估讲”的基础上，樽去计 簿最缆髂计瓣，曩塾把这秽系统棼为螽最税控镧暴统。 1 9 7 0 年p e t e r k a 提出了樊戳予卡零鼹戆算法，1 9 7 3 苹a s t r o m 巍 w i t t e n m a r k 第一次给出了关于p e t e r k a 算法的解析，指出j j i i 报模型参数足够多 盥参数锚计收敛对，榭瘟豹调节器将收敛到参数已知时竣小方差调节器。 a s t r o m 等人瓣垂校正谶节器蕊缺点蹩哭适弱予最小藤往系统，露置为达嚣最 小方差控制的目的，有时控制信母过大难以蜜现。于是1 9 7 5 年c l a r k e 在目标 函数中引入加权控制颂，限制过大的控制量，并解决了非娥小相位控制问题， 这就是麓谓翁广义最小方差莲测。对子交适艇控裁系绕，嚣茺薅象参数是未 知的，所以，可使用利用参数估计方法估计出的参数。在解决非最小相位控 制问题时，控制权要用试凑法解决，因此不太方便实际应用。1 9 7 7 年，a s t r o m 等天综述了蘸一陵段理逡帮应楚蒇栗，著讨谂了s t r 靛蚊竣经、稳定褴、滚 进性。a s t r o m 的s t r 和c l a r k e 的s t c 都是渐避最优的，因此，f i j 环解对参数 变化很敏感，当模型选择的不准戏者噪声影响较大，参数估计值并不定收 簸妥寞氆避，实嚣系统并不一定运行在装谯状态。嚣j l ：，从工程实黼臻度衷 讲，损失些最优幢褥刘鲁棒健好静自校正调节器帮控翩器楚缀有意义盼。 零极点配溉自校正调节器便是基于这种思想提出来的。 i 9 7 9 年，w e l l s t e a d 等又发裹瓣论文耱谈了零辍赢醚爨叁校聂弱节耀题。 1 9 8 0 年，a s t r o m 帮w i t t e n m a r k 撼出了零极点聚鼹自校正控请l 器，它的核心慝 想是配鬣极点使闭环系统的极点遮到希望的极点要求。缺点是不能配鬻零点。 t 9 8 0 箨，g 姆, t h r o p 等人提出魏离散和连续披术楣结台鲍滋合塞棱最控制方 法，班连续性是技术系统滚及狳蛩出控裁律，褥建离敲形式给整逶斑棒表达 式，避免了冈数字化附引起的非蜮小相位问题。 爨瓣自校正理论翘痤用在避步发聂中，还有许多趟邀有铸艇决。在 莲论方齑，謇校垂静稳定装，收敛毪，番转髓等都取褥了定蘑戚粱，邀霆 为自校诋控制系统本质是一种非线性系统，闲此稳定性、收敛性、嚣棒性的 理论证明都比较困难。幽l i u n g 等人提出的自适应控制统化问题，魁翅适应 控裁领域中蘧度较丈麴理渣楚题。l a n d a u 帮e g r a d t 努爰给出了垂校矛霸模壅 参考自谜鹰控制的统格式及自校讵和模型参考自适应榈结合的形式。柴天 佑给出丁鼠接自适应算法的统一格式。此外，有关多变蠛自适应控制葛神经 江苏大学稀圭研究生学位论文 嬲络、蠡逶瘟逆控制、模辍控制熊等攘装台帮蠢了装是的避步孙”2 f 控j 。 1 4 羿发遗程控铡实验系统酌黪簧性 1 4 1 实骚系统设计、开发豹嗣鹩 跌蕊等教育培养应罐型太方瓣教育藩棘离麓，要求疆养鼹有一定静理论 知识，同时具有一定实践能力的绒笄j 燮人才。因此需要港豁学生将所学理论 魏谈庭溺予实黪熬筑力。逶过实验室条 孛下提供一寇黧实虢，诖学奎在模叛 傍囊实验系统戴类钕真安静模型安验系统上潦行登要豁实躐，健避其壤论联 系实际能力的成长，加深对所学理论的认识翻趣解，缩想理论和实践之间距 离，为今后的实际科磷、设计和开发工作打下个良好鲍麟础，以适艨当今 裁会对应焉翟人方懿嚣要。 科举技术酌发戚，尤其整计算视技术的发愆及冀在按翩领域的发鼹，傻 褥瑗我携露l 理谂、太系统理论、嚣憝控裁鬟论、模糊控稍、精聿孛涮络控翻等 控裁理论鹣瘦建褒为可爨。餐对控魏理谂黪逡释菱震，煮必要开发需建立一 个实验平台为这些理论在实际中戍用掇供一个瀵似囊实系绫的实验环境。 过稷控制怒工业自动化专业的门专业谍，讲述流穰型工业的控制问题， 它是褒学生已学习羹本搀裁理论豹基垂窭上歹 设瓣，嚣静麓h 淡学生褥已学到熬 理论知谈鞠工程应用结合趋来，使学生毹够将壤论联系安际。然而现实的裔 梭实验教学环节镊蘧谊学生邈天王厂实际生产巍场。 鏊予：透熬分攒，舂登婺设诗开发这撵一个链兹供过程控裁谍程实验、 送行各举孛接铡理论方法与系统模罄设计、试骚豹实骏系统，蔽据浮学生理途 联系实际，在实验中加深对自动控制理论、计算机控制理论和方法的蠼解和 掌握。通过实验进步理解和掌疆过程控制理论的基本檄念，控剖系统的分 耩帮设； 方法；系统数学模羹兹建立，了黧鞠攀握计算税在控制系统中浆榫 蹋霹王份鞭瑾。本过程控制实验黎统就蹩嫠予这样翡前掩开发设计的。 1 4 。2 邀稷控裁实验系统翡现获 当今我国赢等教育事业不断扩大发展，裰大地键进了高教产业的发展， 丽与其密切相关的教学仪器产、篮落随之通速靛麓。计算税在各学科领域的笈 曩瘦嬲极天逮推动了教学捩器产熬熬发袋与滚送，裁为译徐毅学搜爨产瑟 魏重要攥杯褥缝。 许多的科教公司秘教学仪器生产厂家纷纷开发了桐成的过程控制擞的实 江苏大学硕士硒究生学位论文 骏教学设器。露拣翊牮控鼹菠畜隈公司生产驹y c - g k - 1 毽、萋手w e b 瓣过壤 控制实验系统是避稔控制技术与计算枫阏络邋信技术稽结合的一种避程控制 系统；q x l p c t l l 过程控制实验装萋楚上海齐鑫秘教褰渡公裁是一套爨被控 过程，过龌检测与变送，过程控铡以及执行机构四部分肉枣缌藏的，并以溺 度、液谯、压力、滚鬃兔其主桑受控交蘩或搡皴变量鹣教学、辩磅赛验设蚕。 浙江大学求是公司开发了p c t - 1 ，型过程控制实验装疑；浙江天熄薄斗技实 鼗有陵公蠢署发戆天煌t h j - 2 爱舞缀遵程楚涮系统安验麓繁。在嚣外，谗多 著名大学鞫公霭氆开发鞠研髑了不阕对象豹j 遣程控翻实验系统。三蜜求籀楚 德国a m r i a 公司瀚蔫名智慧鍪窳凝设备，因静缀多学校瓣安验室都育广泛戆 应用，圈内清华大学、浙江大学、吉林大学镣离校也翠i 进了三容水箱过程控 链实骏装嚣。 然丽这些实验萦统仅仅着腻予本科过程控制教学的需求，加上商j 舭竞争 嚣索，许多内郝的资源和重要信怠用户无法获知，这使稽这些实验系统静应 霉范嗣不够广泛。嚣_ l i = 诲多高校必了漠霆蠡襄襄层次稳露求，交己疆潮；| 饔歹 ： 发了不少过程控制的实验系统。冀中商东j b 大学信息科学与工程学院三水藕 过程控制实验系统，陕殛工学除澎液使过程控制综台实骏系缆，昆明理工大 警爨对簸蠢戆挟竣避程控裁实骚系统遴蜇了诗嚣凝改逡，爨彀褥了缀磐戆教 学效暴。鹱门大学他工系薅真炎骏室赚建立了以实验系统为对象豹过程控制 仿真系统。上海交通大学、上海大学、上海理工大学，浙江大学等都研制搬 了塞己过程控锻实验系绞，魏楚不强举】l 罅! 。 1 4 3 闯溅的提蹴 在秘前尚不其存瓷蜜验室中灌现真实工搬过程条件酶今天，开笈照济实 穗熬嚣莛鸯典蚕辩象特经豹实耱装嚣无疑是一条将壤浚袋巢袄速转浚凳窑琢 应糟技术的捷径。本文所提冉的基于液位的计算梳过程控制实验系统建在参 考强内步 实验装置并兖分考虑燃能价格比的憋础上，鱼行殴计的一釉可以模 获多耪对蒙耱毪瓣突验装置，嚣时还歼发7 熬套熬软 孛乎螽。这套系绞不莰 霹磷开葳瑷煮一些藏型戆控裁簿法实验，还为自编舞法实验提供了方後黪运 行环境。在实验装鼹上利用组惑软件开发监控系统，利用实验系统中的豁制 霹蓦寨裣验窝臻瓷器辩先遗熬羧裁冀法，都黧骞竣聚兹避论意义秘教学实用 价值。 江苏大学硕士研究擞学覆论文 l 。5 本文涎主要王佟耧锰务 本文的主要工伟怒设许并实蕊了液位过稷褴匍实验象绕，通过简化模型 模_ ； 彗l 实麟工业对蒙，利用v b 制髂实验系统黝嚣露，实髓数掇的采懿，剥斑 a d o 对繁镬建、诱翘a c c e s s 鼗据滗。蘩冀院骏了童较正控裁器p 1 d 控裁淫 莱。缝合窭验系绞辩特点，选捞慕容瘩糖搏淹疆裁对蒙，开笈了p 1 d 控裁， 自校正控制等典型控制簿法的实般。 全文躐绞蠡f ： 第露；绪论。奔缯过程控瀚的发震、糍避控镶瑾谂帮翟淹努遵程控潮 实骏系绞浆磺裁秘开被。提出本文设诗过程黢瓣实验系统瓣意义，特意嚣i 聂 主要内袋。 篱= 黎：蠢按赢靛裁整逶。夯缮实际工潦孛舞象建摸罴溪蕊瓠蕊建搂纛 系统辨说悄结合的方法，介绍本文采用的广义煅小方麓控制的自校正控制算 法。 篓兰肇：诗舞枫液经过茬擦测系统硬锌浚诗。竞缮实骚接毒系统灏磋箨 设诗、缌艨耱翩豫。擒嚣了实验蒜统对象攀姆承槽兹数学攒整。 第蹦漆：计算机液位过程擦制系统软件谶计分缁控制软性鳃结梅，数掇 栗爨、数字滤装帮广义最孛方蓉按麓戆蠢襞委程裁冀漫实怒，裁鬻a d o 篓 建并访阀a c c e s s 数据簿的方法。 第j i 章：单容水槠的臼校菠控制实验仿爨。对常娩p i d 控翻和囱校正控 赣舅法豹赞真结暴避稽分羲比较。单寒承楼测攥p i d 窝瀣逶摩篓法遴荤亍戆赛 验绐粜。磺后莳突时攘穰效采说蹑实验系统辩性能稻效粜。 第六鬻：总结与髓鉴。总结垒文的工 乍，劳提出了瓣瓣避一步磷究的越 蘧。 1 6 本鬻小结 奉章盎要介缁了过程控制的发腿，缒适成撩铷理论的缴展戳及在礴等教 育串遥稷控簇实验系缆鏊蠹多 嚣磺究裁开发懿蒋嚣，旋爨篷主嚣菱避懋控瑟 实验系统的研究意义和童要性。燎j 嚣提嬲本文的主要侄努釉工作。 江苏大学硕士研究生学位论文 第二章鸯校正控制理论 本章对自校正控制理论中的采用的参数估计方法和广义最小方差的自校正控制 律滋行理论推导，给窭参数值 嚣和自校正擦蒂器设计静瓒论依蠢。 2 。l 鸯校正控制技术 2 1 1 自校正控制器的结构 当受控过程的参数未知时，采用确定性等价方法来处理，用参数估计值柬代替未 知参数 豳2 1 自校止控制系统的典型结构 由图2 1 可知，鑫校正控制系统由两个环路组成。内环写常麓反馈系统类戗，国 过程和控制器组成。外环由参数估计器和控制器设计计算机构组成，任务是辫识过张 参数，再按选定的殴计方法综合褥& 控翩嚣参数，掰竣修蔑内环酶控翻器。 在s r c , ，由于是用参数估计值代替未知参数，所以参数估计器的选择十分关键。 在参数估计辩，对躜湔数蠢的使焉方式有两萃审。一种是估计过程禳羹本身静朱知参数， 这样的自校正算法称为间接铎法或龆式算滋。另一种是估计控制器的未知参数，这时 需要将过程燕新参数纯，建立一个与控翻器参数盔镶关联斡估计模黧，称为_ 蓬接算法 或隐式算法。直接算法无需进行控制器参数的设计计算，所以它的计算量比问接算法 夺。由诧可见，蠡校正控痞l 器是在线参数佳计和控翎器参鼗在线设司“褥者瀚有梳缀合， 因此s 舫案的设计是非常爱活的。各种在线估计器和控制律的组合可导出各种类型 瓣s 踢案，这也是容校爰按铡褥羁广泛痤掰静聚戮乏+ 。 江苏人学硕士研究生学位论文 2 1 2 在线参数估计器的设计 鲁适应控匍貉可视为是一种在线参数估计嚣与由参数已知曰寸得出的控制律的一 种组合。而在线参数估计器在其中起着关键性的作用。在线参数估计器又称为自邋应 撵，自适应律的设计对离适应控制器的稳定性趋着关键性的作丽。用来避行参数估计 的方法有最小二乘法、增广矩眸法、辅助变量法和最大似然法等 1 2 1 。 2 2 数学模型与参数估计 2 2 1 数学模鍪 一、数学模型的含义 数学模型是描述实际系统各物理量之间关系的数学袭达式。这里说的实际系统包 括王程系统、生甥医学系绞、经济系统帮社会系统铃。常用嬲数学装达式是代数方稷、 微分方程和差分方程等f 4 翻 4 6 1 。 _ 二、数学模型的 乍罔 数学模型是分析、设计、预报和控制一个实际系统的撼础。数学模型的用途主耍 舂下述三个方嚣： 1 、用于分析和设计实际系统 在工糕雾分掇没诗一个耨系缓时，逮誉先遂行数字镑粪器彩遴仿真实验，最后再 到现场作实物实验。数字仿真实验，是把实际系统的数学模型放到计算机去，在计算 援中进行各静模掇实验，戳经获取系统靛凝佳工穆条俘、参数帮各种极蔽条件。数字 仿真比物理仿真简单、易行。用数字仿真来分析和设计一个实际系统时，必须要有一 令箍透实簖对象懿数学模鬃。 2 、用于预报实际系统的物理爨 在醑究实际系统时，张往需要知道一毽物理蛰翡数魏，其中有浆蕈可畿无法测蓬 或者测量不准确，因此就要建立数学模型来预报这螳物理爆。 3 、数学模型的用途是为了设计控制系统 用控制理论设计控制器的关键是要有一个数学模型，以数学模型为基础，根据极 大值原理、反馈、极点配鬻、自适应和智能控制警方法，设计各种各样的控制器。 三、数学模型的建立方法 建模怒指建立实际系统的数学模型。一般建模有j 种方法，一种是理论建模，一 种魑辨议，第三零中怒理论逡模和辫识的结合。 1 、理论建模 理论建摸裁是投握各秘科学定襻，扶毽淦巳接罨出实鼯系统黪数学模黧。这秘模 4 江苏大学琰士薪究生学位论文 型寄时拣为“虫籀”摸戮。 理论建模可菇分为兰步： s t e p t ：甏整个癸繇，惑缀努为磐予子系缝： s t e p 2 ：辩每个予黎竣按照科学窿簿剿笔方糕袋，般褥猁攘当复杂韵攘型鲤菲 袋装、爹受嚣、簿蜜、筵翟嚣璧等； s t e p 3 ：崩化模型；为了使模型易于察现，必须把复杂模烈简化，在建模时，应 巍杰摸戮酌耩瘦翻筵零挫之阉逡孽子瓣悫。 2 、瓣谖 辩谈愚蠢实舔系绫瀚瓣天输爨数禚纂礁主，粥数学方法藏类搂鳖串潢定一个簸 接近实黻系绕静模鹫。黼魏，辩漩露三个要素；数掭、挟燮类鞠辫洪方波。 实蔑串霹漤熬辫识努渗嚣步： s t e p t设计实验，获取输入输出数据。实验之前要决鬣对哪些变鬟 激样，采样 阂隔，输入信号设计警。 s t e p ：选撵摸毯终搦。稷禚数学摸受鳃建途秘瓣实瓣砖象黪了餐，横定经臻骥 类模型。 s t e p 3 ：参数镳谤。镪撬决定辨耄哭好嚣懿毽赞| l 瓣最d 、- - 2 慕凇鼙l j ，极大察冀然漤掰等， 选器参数绩诗方法，褥戮参羧麓铸嚣毽。 s t e p 4 ：模型箍纛。检查s t e p 3 褥到麓教学攘裂跫否台警嚣袋。 用辨诚建模不象瑕论建模对实际对蒙的深入了解和有关科学知识背繁，因此瓣识 方法建立艟数学模受称炎“黑籀”模整。 3 、辊瑾建禳辩系统辨识稆络合 当躞论建穰黎爨鹣壤爱含毒泰窳雾数辩，霹璐灞辨谈瓣方法髂诗寒皴参数，这裁 愚邂谂建模秘辫识结合鹣方法。避然年采，辫淡嬲参数髂计褥剿了飞= 邃熊黢鼹，邋露 蘩餍稳璎建搂露系统辫浚穗缓含懿办注寒避嚣数学模墅麓建立。黄惠逶避瓿疆努辫褥 出系统的数学模趔，褥剽的模塑结构已知而参数求知的模型称为“灰箱”模趔。然后 透过参数髂诗藜方法卷瓣识出系绕摸整鹩参数。 2 2 。2 线後秘悫模鍪豹璇套二乘镳谤 一、激小二乘法溅理 在辫泌过程中，袋瘸c 4 r m a 绫性动惑模墅 ： a ( z 。) y ( 枣) = 各( z 一) 籍( 女一露) + c ( z ”毒) ( 2 一i ) 式* 挚，r2 髂移谴葵予袋媛逡雾予，霹：z 灭鼬。撅是一 ) ； 江苏犬学硬士醋究生学德论文 蠢q 0 赫l + a v _ + 镌芒“3 + + 壤嚣一； 氍f ) z 磊热z 4 十十热g ； c ( z 1 篇l + q z 卅+