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基于RBF-ARX模型的预测控制在水箱液位系统中的应用研究

作　者: 杨鸿波
导　师: 彭辉
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 水箱液位控制系统 预测控制 RBF-ARX模型 组态王 DDE通讯
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


当前,非线性系统建模与控制的研究仍然不很完善,制约着先进工业生产的进一步发展。研究基于RBF-ARX模型的预测控制应用对控制理论研究和工业生产都具有积极的意义。水箱液位系统的非线性、多变量、强耦合等特性模拟了生产实际中的复杂过程控制对象,论文主要针对水箱液位系统RBF-ARX建模与预测控制问题展开了深入的研究,具体包括以下几个方面的内容：首先,鉴于MATLAB强大的数据计算功能,本文通过MATLAB和组态王的DDE通信,建立了上位机与水箱传感器的数据交互通道。开发出了一个以MATLAB和组态王为基础的水箱液位系统实时控制平台。该平台融合了MATLAB和组态王的优点,具有组态简单,计算能力强的特点。然后,本文根据水箱物理模型及实际采样数据分析水箱出水与入水的非线性以及耦合性。利用RBF-ARX的全局非线性及局部线性的特点,采用MIMO-RBF-ARX模型来描述水箱液位系统的上下水箱液位与电动调节阀开度之间的动态关系。通过采集液位系统大范围分布数据,辨识得到一个两输入两输出的RBF-ARX模型,并利用检验数据对模型的有效性进行验证。随后将该模型转换为状态空间模型,设计了基于MIMO-RBF-ARX模型的预测控制器,并在Simulink仿真平台中,用M语言实验基于RBF-ARX模型预测的水箱液位控制系统,同时在该平台中完成了仿真实验。仿真结果表明,本文提出的基于RBF-ARX模型的预测控制实现了对水箱液位的精确控制。最后,论文进行了水箱液位系统实际对象的基于RBF-ARX模型的预测控制算法的实时控制,并与常规PID控制算法的控制效果进行比较。实验结果表明,基于RBF-ARX模型的预测控制算法具有更好的综合控制效果。图30幅,表格1个,参考文献65篇。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-18
  1.1 课题来源及研究意义  9-10
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 课题研究意义  9-10
  1.2 预测控制研究现状  10-13
    1.2.1 预测控制背景与现状  10-11
    1.2.2 预测控制方法与应用  11-13
  1.3 RBF-ARX模型研究现状  13-16
    1.3.1 RBF-ARX模型  13-14
    1.3.2 RBF-ARX模型参数优化研究  14-15
    1.3.3 RBF-ARX衍生模型  15-16
  1.4 论文的主要工作  16-18
2 水箱过程控制系统平台开发  18-27
  2.1 水箱系统结构介绍  18-20
  2.2 水箱系统模块介绍  20-22
    2.2.1 牛顿模块  20-21
    2.2.2 组态王软件  21-22
  2.3 组态王与下位机通讯  22-23
  2.4 基于MATLAB实时控制平台开发  23-26
    2.4.1 控制平台方案设计  23-25
    2.4.2 动态数据交换(DDE)  25
    2.4.3 实时控制平台建立  25-26
  2.5 本章小结  26-27
3 水箱液位系统建模研究  27-40
  3.1 控制对象介绍  27-28
  3.2 控制对象非线性分析  28-30
    3.2.1 水箱物理模型  28-29
    3.2.2 水流流入物理分析  29-30
  3.3 水箱液位RBF-ARX建模  30-39
    3.3.1 RBF神经网络及ARX模型  30-31
    3.3.2 RBF-ARX模型的结构  31-32
    3.3.3 RBF-ARX参数辨识方法  32-34
    3.3.4 RBF-ARX参数辨识步骤  34-35
    3.3.5 水箱液位RBF-ARX建模  35-39
  3.4 本章小结  39-40
4 水箱液位模型预测控制结果  40-54
  4.1 模型预测控制的理论基础  40-46
    4.1.1 模型预测控制介绍  40-41
    4.1.2 模型预测控制算法原理  41-42
    4.1.3 基于RBF-ARX模型的预测控制器设计  42-46
  4.2 基于RBF-ARX模型的预测控制仿真结果  46-49
  4.3 实物控制结果  49-53
    4.3.1 PID控制  49-50
    4.3.2 MPC控制  50-52
    4.3.3 MPC与PID控制结果对比分析  52-53
  4.4 本章小结  53-54
5 工作总结与展望  54-56
  5.1 本文的工作总结  54
  5.2 今后的工作方向  54-56
参考文献  56-61
攻读学位期间主要的研究成果  61-62
致谢  62

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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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