四水箱系统的自解耦控制

四水箱系统是具有强耦合特征的非线性多输入多输出系统。消除或减弱变量间强耦合是提高四水箱系统控制性能的有效途径。基于双闭环结构,首先将水箱内部产生的耦合作用作为内部干扰纳入总扰动中,引入扩张状态观测器对其进行估计,设计线性状态误差反馈控制律对跟踪误差进行补偿,形成自解耦控制(SDC)。仿真结果证明,该方法的跟踪性能、抗干扰性能、解耦性能均达到了令人满意的效果。

控制输入受限的四水箱系统分布式预测PI控制

工程实践中,控制输入约束是普遍存在的.四水箱系统是有着广泛工程应用背景的典型多流程系统,具有动态过程缓慢、强耦合、强非线性等显著特征,由于能量限制其控制输入只能在允许范围内变化.首先基于相对增益矩阵(RGA)分析确定了分布式控制结构,进而确定了预测PI控制策略,仿真结果表明,与常规PI控制方法相比,分布式预测PI控制能够更有效地克服控制输入积分饱和现象,明显提高系统动态性能,且易于工程应用.

预期动态法在四水箱液位控制中的应用

针对实际生产中常见的双输入双输出过程,基于单位反馈闭环控制结构,根据前馈补偿的思想设计全解耦控制器矩阵,结合二自由度PID/PI预期动态法(DDE)鲁棒性强的特性,设计PID/PI解耦控制方案。同时,对于实际中常见的加性和乘性不确定性干扰,分析了控制系统保证鲁棒稳定性的充要条件,给出了基于谱半径判据的判定方法。本文借助英国Feedback 33-040s Coupled Tanks四水箱实验装置,对四水箱液位实时控制设计PI解耦控制器方案。实验结果表明:该方案能够使系统各路输出响应之间实现有效解耦,可对水箱液位进行有效控制,显著地提高了多变量关联系统的控制性能。

针对四水箱系统的故障检测观测器的设计

本篇论文主要针对四水箱系统、介绍了如何在simulink仿真软件中对其进行系统模型的搭建和仿真还有故障诊断设计。在Luenberger观测器的基础上变换得到适用于该模型的故障检测观测器、输出故障信息,并且能够做到故障分离。

四水箱实验系统的关联分析与解耦

四水箱实验系统用于模拟实际工业系统的非线性、多变量、时变、耦合等复杂对象特性。基于系统辨识的结果,本文对该实验系统进行了关联分析,揭示了该实验系统关联度可调的特性,并分析了关联强度对多回路控制的影响。最后,本文应用基于前馈补偿的全解耦方法显著地提高了多变量关联系统的控制性能。

四水箱控制系统的性能评价

针对基于最小方差的性能评价准则由于只考虑时滞引起的性能限制,不适合对PID控制回路进行性能评价的问题,本文采用PID能实现最小方差控制准则,对四水箱控制系统进行性能分析,得到的性能指标比传统最小方差准则明显提高,控制器参数大大改善了过程的输出方差。实验表明,PID能实现最小方差准则能够为PID控制器的性能评价提供一个合理的评价基准,更说明其对特定类型控制器性能评价所具有的实际意义。

四水箱系统高增益自适应控制

多流程系统在过程控制中有着广泛的应用背景,通常具有动态过程缓慢、时变、耦合、多输入多输出、非线性强等显著特征,对控制策略提出了更高的要求。本文以四水箱系统为例,基于分布式控制结构,研究了高增益自适应λ控制策略,仿真结果表明,与常规PI控制方法相比,该控制策略能明显提高控制性能且易于工程应用。

四容水箱实验装置设计及其分散内模控制

为提高自动控制相关课程的实验教学水平,研制出一套四容水箱液位控制装置。该装置选用工业上常用的硬件设备,软件部分设计了Matlab/GUI(Graphical User Interface)操作界面,可允许在Matlab中直接编程实现对系统的控制。建立了四容水箱系统的数学模型,并利用阶跃响应法辨识系统的模型参数。针对四容水箱系统设计了分散内模控制器,仿真环节采用Matlab/Simulink完成,实现了四容水箱系统液位的跟踪控制。实验结果表明,采用内模控制器的四容水箱系统,当其中一个水箱的水位发生变化时,对其他水箱的水位影响很小,系统具有满意的控制效果。在自控等相关课程中,该装置可以作为一种新的实验设备,并具有较好的实验教学效果。

多变量四容水箱控制系统实验装置的设计

设计开发了多变量四容水箱控制系统实验装置,该被控对象具有多输入多输出、非线性、时滞性、耦合性等特点。装置采用超声波传感器检测液位值,直流水泵作为执行机构,采用西门子S7-300系列PLC及其AI、AO模块搭建了本地闭环控制系统。同时利用OPC技术建立了MATLAB/Simulink与PLC的通信连接,从而使用户能够在Simulink平台上设计控制策略,对液位值进行实时控制。该装置不仅解决了目前过程控制实验室缺乏复杂被控对象的瓶颈,同时借助于功能丰富的Simulink环境及其工具箱给相关的科研和教学人员提供了很好的操作平台,方便其验证和设计各种先进复杂控制算法。

四容水箱的小波神经网络广义预测控制

针对四容水箱系统的多变量、大时滞、非线性及强耦合等特性,采用了小波神经网络广义预测控制(WNNGPC)策略。利用小波神经网络良好的函数逼近能力,对系统被控对象进行辨识,得到控制系统的预测模型,再结合广义预测控制良好的控制性能,达到对四容水箱系统的稳定控制。在系统辨识的过程中,采用的是改进的BP学习算法,这一算法能够快速平稳地修正网络权值和阈值,使预测输出平滑地趋近期望输出。在解决系统的耦合问题上,利用了模糊控制的通用逼近性,设计了模糊前馈补偿解耦。基于模糊补偿解耦的WNNGPC对四容水箱进行控制实验,并对比分析实验结果。结果表明,这一控制策略对四容水箱进行控制时取得了较好的控制效果。

四容水箱实验装置数学模型的特点分析

为研究一个高阶、非线性且其零点可在S的左右平面移动的四容水箱系统以及为该系统的控制实验方案的设计提供基础,通过建立不同阀门关断/开启的水箱系统的状态方程、传递函数矩阵等数学模型,讨论了模型的结构特征;通过研究阀门开度变化对系统零极点位置的影响,揭示了四容水箱系统的数学模型特点。结果表明,调整水泵的开断及阀门开度可方便地构成MIMO和SISO系统,泰勒级数展开的初始条件不同模型的特点不同,系统零点在S左右平面上分布取决于水泵阀门开度γ_1+γ_2,改变阀门开度,特别是互联阀门的开度可以改变零极点位置,进而影响控制方案的设计。

非线性四容水箱预测控制研究

根据工业现场实际控制中实现预测控制的困难,提出了利用OPC通讯技术把Matlab与PLC/HMI工业控制系统进行集成,并实现预测控制的方案。文中还针对非线性四容水箱系统建立了机理模型,并通过在线辨识获得四容水箱模型的未知参数,从而对水箱液位进行控制。实际控制结果表明,预测控制能够很好地使水箱液位跟踪设定值,验证了该控制策略的可行性及有效性。

分数阶滑模控制算法在四容水箱中的应用及仿真

针对四容水箱系统存在模型不确定性、动态性能缓慢、耦合严重等问题,设计分数阶滑模控制算法对水箱液位进行控制.对传统整数阶滑模面和趋近率加以改进,得到控制效果更为灵活的分数阶滑模面和趋近率.使用李雅普诺夫理论对分数阶型滑模控制器的渐进稳定条件、适用范围、特性进行理论分析,提出算法的设计方法.通过与分数阶PID控制器比较,仿真实验表明分数阶滑模控制器对给定液位的期望值具有良好的动态性能,有效地减少了控制过程中的超调,对系统参数摄动具有良好的鲁棒性.

四容水箱过程预测控制

针对四容水箱系统的多变量、大时滞、非线性及强耦合等特性,首先设计模型预测控制(MPC)策略,由于采用了多步预估技术,从而能有效地解决时延过程问题。然后设计隐式广义预测自校正控制(GPC)策略,利用反馈校正能及时修正预测值,使优化建立在较准确的预测基础上,从而提高了控制的鲁棒性。在建立四容水箱过程机理模型的基础上,通过仿真验证实现四容水箱液位预测控制,并给出了相应的实验结果。仿真结果表明:通过预测控制算法良好的控制性能,可以实现对四容水箱系统的稳定控制。

基于GUI的四容水箱半实物仿真平台设计

多容水箱作为具有非线性、多变量、强耦合等特性的实验装置,为教学提供了具体的控制对象。针对多容水箱实验装置目前存在的问题,设计了一个基于GUI的四容水箱半实物仿真平台。平台以单片机(STC89C51)为控制器,利用Matlab的S函数实现四容水箱的非线性数学模型,通过串口通讯完成水箱液位控制,并且设计GUI界面以实时监控水箱液位及参数。该平台不仅占地少,成本低,灵活性大,而且便于展示控制效果和二次开发,提高学生的学习兴趣和实践能力。

基于状态反馈的四容水箱控制系统的MATLAB仿真研究

针对四容水箱控制系统,使用Simulink搭建系统模型,并应用状态反馈控制律对系统进行控制。重点讨论了状态反馈原理以及LQR控制器的设计方法,简单介绍了加权矩阵Q和R的选择方法。对于最优跟踪问题使用LQI方法控制液位高度跟踪设定值,通过在MATLAB上对系统进行仿真实验,证实了所设计的控制器具有较好的控制效果,说明使用状态反馈的方法设计控制器是有效可行的。

基于无模型自适应的四容水箱液位控制

四容液位控制系统是一种典型的非线性、大滞后、强耦合的控制实验系统。工业上许多被控对象的都可以被抽象成为四容水箱的数学模型。采用无模型自适应控制MFAC(ModelFreeAdaptiveControl)算法,针对离散时间非线性系统使用了一种新的动态线性化方法以及一个伪偏导数PPD(PseudoPartialDerivative),在闭环系统的每个动态工作点处建立一个等价的动态线性化数据模型,然后基于此等价的虚拟数据模型设计控制器,进行控制系统的理论分析进而实现四容水箱非线性系统的无模型自适应控制。

带有改进自适应动量因子的四容水箱DRNN控制系统设计

针对多变量耦合的四容水箱系统,提出一种带有自适应动量因子的对角递归神经网络(DRNN)自学习PID控制方法。首先依据四容水箱实验平台的结构,简要介绍了被控对象的数学模型,并给出了以PID为主控制器,DRNN用于辨识系统动态的总体控制方案;其次,考虑到耦合系统中控制输入与系统输出的之间耦合作用,为了减小整体跟踪误差,给出了调节PID控制器参数的全局性能指标;然后为了防止网络权值调整过程中出现收敛缓慢和震荡问题,设计了自适应动量因子;最后通过数值展示与仿真对比,验证了该文所提方法的有效性。

基于物理平台的多变量控制系统设计与研究

针对工业控制中多变量控制系统的强耦合特性,在模拟仿真环境下进行的过程控制的研究与实际情况有很大差距的问题,提出了一种在YC-SX多变量过控实验平台上进行的对多变量系统的解耦控制。在研究过程中,通过这个实验平台搭建了四容水箱多变量控制系统实物模型;并且借助Matlab软件实现了对此系统的系统辨识和解耦控制。由研究结果表明,此四容水箱多变量系统耦合基本消除;并且这样的设计能够更接近于工程实际情况。

基于WinCC的过程控制实验平台设计研究

由于目前理论上的研究尚缺乏在实际应用中的检验,新的科研成果运用到生产中会出现各种问题,限制了工业生产中运用先进控制理论研究成果[1]。根据过程控制中典型对象的特性,开发一套用以检验理论研究成果的实验装置具有重要的现实意义。四容水箱是具有时滞性、非线性、多输入多输出、藕合等特性的典型对象[2],本文针对四容水箱过程控制实验装置,构建工业PLC现场总线控制系统,利用OPC通讯技术将Win CC监控与PLC/HMl工业控制系统集成一体,实现先进的系统辨识技术和计算机控制技术运用于工业控制系统中。系统采用PLC作为下位机,Win CC作为上位操作站,通过工业以太网完成对四容水箱的液位、温度、流量控制。通过Win CC监控界面的数据显示,了解现场工业生产环境的状况并对控制结果进行分析,通过对先进控制策略的调试,解决先进控制策略应用到生产中可能出现的问题。