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复杂过程控制系统设计及控制策略的研究

作　者: 章铅飞
导　师: 王海梅
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 过程控制系统辨识模糊PID控制逻辑控制解耦控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

工业生产过程中,复杂过程普遍存在,这类过程具有的多变量和大时滞等特性,使得常规控制策略难以取得理想控制效果。论文以浙江中控的CS4000高级过程控制实验装置为研究对象,以JX-300XP DCS为控制系统,着重对复杂过程控制系统的设计过程及其控制策略进行研究。论文主要工作如下：(1)辨识了多个过程对象的数学模型,具体包括：运用阶跃响应曲线法分别建立了双容串级液位对象、双容耦合液位对象的数学模型；运用矩形脉冲响应曲线法建立了温度对象的数学模型。(2)设计了系统主管路流量与液位的自动选择性控制系统,研究了PID控制策略在该控制系统中的应用。针对自动选择性控制系统,论文又研究了一种基于模糊控制的PID参数自整定控制策略(简称模糊PID控制策略),仿真结果表明,该控制策略作用下的系统存在余差,通过进一步改进,采用含附加积分项的改进模糊PID控制策略,有效消除了余差。(3)经典PID控制策略虽然应用广泛,但对于大时滞对象,往往容易产生较大的超调量或者较大幅值的震荡。论文讨论了变参数PID控制策略以及双闭环逻辑控制策略在大时滞过程中的应用,这两种策略能够根据偏差的范围智能地调节控制器参数,进而调节控制作用的强弱。具有时滞的温度过程控制系统运行结果表明,上述两种策略较传统PID控制算法具有较好的效果。针对CS4000装置中因循环用水而导致的温度对象的非自衡特性,论文提出了一种改进的Smith预估控制策略,仿真结果证明了该策略的可行性。(4)设计了双容耦合液位控制系统,讨论了传统的解耦控制策略。考虑到策略的易实现性,研究了一类纯系数形式的解耦策略,系统运行结果显示了该控制策略的有效性和易实现性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
1 绪论  8-12
  1.1 课题的研究背景  8
  1.2 控制策略分析  8-11
    1.2.1 控制结构策略  9-10
    1.2.2 控制算法策略  10-11
  1.3 论文主要研究内容  11-12
2 CS4000过程控制装置与JX-300XP介绍  12-18
  2.1 CS4000过程控制实验装置  12-14
  2.2 JX-300XP集散控制系统  14-15
  2.3 AdvanTrol-Pro组态软件  15-17
    2.3.1 AdvanTrol-Pro组态  15-16
    2.3.2 AdvanTrol-Pro编程说明  16-17
  2.4 本章小结  17-18
3 自动选择性控制系统设计  18-38
  3.1 自动选择性控制系统构建  18-19
  3.2 双容水箱对象建模  19-22
    3.2.1 阶跃响应曲线法建模  20-21
    3.2.2 最小二乘法建模  21
    3.2.3 模型结果比较  21-22
  3.3 自动选择性控制系统设计  22-29
    3.3.1 PID控制器  23-25
    3.3.2 自动选择性控制系统运行  25-27
    3.3.3 系统干扰分析  27-29
  3.4 模糊PID控制算法的仿真研究  29-35
    3.4.1 模糊PID控制器结构  29-30
    3.4.2 模糊自整定参数的实现  30-32
    3.4.3 模糊PID控制策略的分析  32-34
    3.4.4 改进模糊PID控制策略的仿真实现  34-35
  3.5 本章小结  35-38
4 温度时滞过程控制系统设计  38-56
  4.1 温度对象建模  38-41
  4.2 加热水箱出口温度控制系统  41-45
    4.2.1 常规PID控制  42
    4.2.2 逻辑控制  42-44
    4.2.3 逻辑PID控制  44-45
  4.3 纯滞后水箱尾部温度控制系统  45-49
    4.3.1 单闭环逻辑控制  46
    4.3.2 双闭环逻辑控制  46-49
  4.4 温度时滞控制系统的扰动分析  49-51
    4.4.1 加热水箱出口温度控制系统扰动分析  49
    4.4.2 纯滞后水箱尾部温度控制系统扰动分析  49-51
  4.5 改进Smith预估控制器的仿真研究  51-54
    4.5.1 改进Smith预估控制策略结构  51-52
    4.5.2 改进Smith预估控制策略分析  52-53
    4.5.3 改进Smith策略仿真分析  53-54
  4.6 本章小结  54-56
5 液位耦合过程控制系统设计  56-74
  5.1 液位耦合控制系统简介  56-58
  5.2 耦合过程建模  58-61
    5.2.1 耦合过程传递函数法建模分析  58-59
    5.2.2 耦合过程纯系数法建模分析  59-61
  5.3 解耦策略分析  61-63
    5.3.1 前馈法解耦控制  61-62
    5.3.2 反馈法解耦控制  62-63
  5.4 液位解耦控制系统调试  63-70
    5.4.1 解耦控制系统的运行  63-66
    5.4.2 未解耦情况下控制系统的运行  66-67
    5.4.3 耦合控制系统干扰分析  67-70
  5.5 双变量PID神经网络解耦控制研究  70-72
    5.5.1 DPIDNN结构和算法  70-72
    5.5.2 DPIDNN调试说明  72
  5.6 本章小结  72-74
6 总结和展望  74-76
  6.1 全文工作总结  74
  6.2 后续工作展望  74-76
致谢  76-78
参考文献  78-82
附录A:CS4000装置加热水箱出口温度过程建模分析数据  82

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