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空间综合材料实验装置仿真控制软件的研究与实现

作　者: 俞号峰
导　师: 于强
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: 空间晶体生长炉 PID控制预测控制系统辨识 PID整定计算机仿真
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 13次
引　用: 1次
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内容摘要

空间综合材料实验装置(空间晶体生长炉)是一种用于在微重力条件下进行晶体生长的实验设备。晶体炉内的温场分布、温度精度和温度稳定度是成功生长优质晶体的必要条件,并直接影响着生长出晶体的质量。精确的温度控制对生长高品质的晶体至关重要。空间综合材料实验装置仿真控制软件不仅用传统PID控制实现炉温的精确控制,而且将预测控制中的DMC控制算法,首次应用到系统中,取得非常好的效果。空间综合材料实验装置仿真控制系统包括基本设置、数据采集与实时监控、辨识实验、模型参数辨识、PID参数整定、PID仿真、PID系统控制、预测控制仿真、预测控制实时控制等相关功能。本文首先介绍了课题的来源和背景,然后详细介绍了仿真控制系统中涉及到的概念和算法。在需求分析中介绍了系统开发的背景、内部结构和模块划分,并以用例图为基础详细论述了功能需求。在各个模块设计中介绍了各个模块的设计和实现。最后展示了项目的研究成果和实验结果,并进行了总结和展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
图表索引  9-11
第一章引言  11-14
  1.1 引言  11
  1.2 空间晶体生长炉控制系统及控制软件包研究动向  11-12
  1.3 课题的背景及主要研究内容  12-13
  1.4 章节安排  13-14
第二章仿真控制软件相关概念和算法  14-32
  2.1 工作步骤  14
  2.2 PID控制算法  14-15
  2.3 晶体生长炉的对象模型  15-17
  2.4 模型辨识方法介绍  17-23
    2.4.1 辨识实验  17-18
    2.4.2 模型辨识  18-23
      2.4.2.1 增广递推最小二乘法  18-20
      2.4.2.2 相关系数法  20-21
      2.4.2.3 最小二乘法与相关系数法结合辨识模型参数  21-22
      2.4.2.4 模型校验(白性检验法)  22-23
  2.5 PID控制参数整定  23-25
  2.6 预测控制算法  25-30
    2.6.1 预测控制算法简介  25-26
    2.6.2 DMC算法  26-27
    2.6.3 DMC算法的实现  27-28
    2.6.4 参数的选择原则以其对控制系统性能的定性影响  28-30
    2.6.5 适用于一般对象DMC控制的参数整定步骤  30
  2.7 本章小结  30-32
第三章系统需求分析  32-60
  3.1 系统概述  32-34
    3.1.1 基本设置  33
    3.1.2 数据采集与实时监控  33
    3.1.3 辨识实验  33
    3.1.4 模型参数辨识  33
    3.1.5 PID参数整定  33-34
    3.1.6 PID仿真  34
    3.1.7 PID系统控制  34
    3.1.8 预测控制仿真  34
    3.1.9 预测控制实时控制  34
  3.2 功能需求  34-59
    3.2.1 基本设置（U1 settings）  35-38
    3.2.2 数据采集与实时监控（U2 Sample and Monitor）  38-42
    3.2.3 辨识实验（U3 Identification Experiment）  42-45
    3.2.4 模型参数辨识（U4 Model Identification）  45-49
    3.2.5 PID参数整定（U5 PID Tuning）  49-51
    3.2.6 PID仿真（U6 PID Simulation）  51-52
    3.2.7 PID系统控制（U7 PID Experiment）  52-55
    3.2.8 预测控制仿真（U8 PC Simulation）  55-56
    3.2.9 预测控制系统控制（U9 PC Experiment）  56-59
  3.3 本章小结  59-60
第四章仿真控制软件各模块的实现  60-79
  4.1 基本设置页面（pageSettings）  60-62
    4.1.1 系统设计  60
    4.1.2 pageSettings  60-61
    4.1.3 iniManage  61-62
  4.2 辨识与控制页面（pageIdentificationandControl）  62-68
    4.2.1 系统设计  62-63
    4.2.2 ProcessVariable  63-64
    4.2.3 FurnaceZone  64
    4.2.4 pageIdentificationAndControl  64-66
    4.2.5 formTableMonitor  66
    4.2.6 formChartMonitor  66-67
    4.2.7 主要算法的流程图  67-68
  4.3 模型参数辨识页面（pageModelIdentification）  68-70
    4.3.1 系统设计  68-69
    4.3.2 pageIdentification  69-70
  4.4 PID控制参数整定  70-71
    4.4.1 系统设计  70
    4.4.2 pagePIDTuning  70-71
  4.5 PID仿真  71-74
    4.5.1 系统设计  71-72
    4.5.2 pagePIDSimulation  72-73
    4.5.3 FurnaceZoneSim  73-74
    4.5.4 ModelParam  74
  4.6 预测控制仿真  74-75
    4.6.1 系统设计  74
    4.6.2 pagePCSimulation  74-75
  4.7 预测控制实时控制  75-78
    4.7.1 系统设计  75-76
    4.7.2 PreCtrlZone1  76-77
    4.7.3 pagePCControl  77-78
  4.8 本章小结  78-79
第五章成果与展望  79-90
  5.1 成果展示  79-88
    5.1.1 主界面  79-80
    5.1.2 辨识实验  80
    5.1.3 模型参数辨识  80-82
    5.1.4 PID参数整定  82
    5.1.5 PID仿真  82-84
    5.1.6 PID系统控制  84-85
    5.1.7 预测控制仿真  85-87
    5.1.8 预测控制实时控制  87-88
  5.2 总结与展望  88-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
收录和发表文章目录  94

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