時滯對象的控制方法研究-開題報告

1、南 通 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告,——畢業(yè)設(shè)計選題時滯對象的控制方法研究,一、課題的內(nèi)容和要求（研究內(nèi)容、研究目標(biāo)和解決的關(guān)鍵問題）,在工業(yè)生產(chǎn)過程中，具有時滯特性的被控對象是非常普遍的，大時滯的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間大大加長，甚至出現(xiàn)振蕩、發(fā)散，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)明顯變差，因此時滯對象也是比較難控制的，尤其是大時滯對象的控制一直是一個難題。目前很多控制方法基于經(jīng)典方法或現(xiàn)代控制理論、計算龐

2、大復(fù)雜，很難在工業(yè)中得以真正應(yīng)用。因此，提出簡單、有效、實用的大時滯過程的控制方法是很有意義的。　　　本課題針對過程控制中的時滯對象展開研究，提出實用、有效的控制方法?！　￡P(guān)鍵問題：完成相關(guān)英文資料翻譯；控制算法在MATLAB中的仿真；在實驗室設(shè)備中的實際運行；整理資料文檔；撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。,課題的研究方法和技術(shù)路線,熟悉課題及要求，檢索有關(guān)資料；　　提出基本控制方案，撰寫開題報告；　　用MATLAB對算法進(jìn)行仿真； 　

3、　完成組態(tài)，并用JX-300X軟件編程，輸入計算機，調(diào)試；　　完成課題要求。,基　礎(chǔ)　條　件,MATLAB 軟件PC機浙大中控DCS上海齊鑫公司過程控制對象PC機,二、開題報告,,一、本課題的研究意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢,二 本課題的基本內(nèi)容，預(yù)計解決的難題,三、研究方案,四、論文進(jìn)度安排,五、主要參考文獻(xiàn),,開題報告主要內(nèi)容,一.文獻(xiàn)綜述與調(diào)研報告：（闡述課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本課題研究的意義和價值、參考文獻(xiàn)

4、）,1. 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢　　滯后環(huán)節(jié)的存在使得整個系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞甚至引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此近年來,對時滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾。　　從50年代以來,時滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型這兩大方法。基于模型的方法有Smith預(yù)估補償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)矩陣預(yù)報控制、預(yù)測控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等。無模型方法有模糊Smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。其控制

5、方法也已經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制,或者是二者的結(jié)合。,,PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。在工業(yè)過程控制中大多采用PID控制,其優(yōu)點是原理簡單、通用性強、魯棒性好。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用是有一定限制的,對于滯后較大的系統(tǒng),常規(guī)PID控制往往顯得無能為力。不過PID控制的諸多優(yōu)點還吸引著許多學(xué)者,探討將它與其它方法相結(jié)合來改善時滯過程的控制效果。目前主要的方法有:利用開關(guān)階躍響應(yīng)法來辯識被控過程的特征參數(shù),再通過整

6、定公式來得到PID參數(shù),該方法對時滯過程比較適用,并具有一定的魯棒性;PID控制與模糊控制相結(jié)合形成模糊PID控制器;針對過程參數(shù)的不確定性和多變性設(shè)計的自適應(yīng)和自校正PID控制:隨著智能控制的發(fā)展,PID控制也和模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,構(gòu)成的控制器既具有模糊控制的簡單和有效的非線性控制,又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力,還具有PID控制的廣泛性,以此來提高控制系統(tǒng)的性能;模仿人的智能思想學(xué)習(xí)得到仿人智能積分控制器、仿人比例控制器等

7、。,,O.J.M.Smith最早在1958年提出預(yù)估控制器,這是一個時滯預(yù)估補償算法,其最大優(yōu)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外,提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì),但其過于依賴精確的數(shù)學(xué)模型,實際應(yīng)用比較困難。為此人們提出了許多改進(jìn)方法,大致可以分為兩種:一種是基于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),這類方法主要是結(jié)合智能控制通過在不同的位置增加一些并聯(lián)或者串聯(lián)的環(huán)節(jié)進(jìn)行補償;另一種是在參數(shù)整定上的改進(jìn),這種方法將 項通過泰勒多項式展開用魯棒性能指標(biāo)及其他的指標(biāo)函數(shù)對

8、控制器進(jìn)行解析設(shè)計,或者對其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整,還有的方法是對Smith預(yù)估系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)進(jìn)行改進(jìn),以增強它的魯棒性和穩(wěn)定性。,,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點,它可以任意精度逼近非線性函數(shù),可進(jìn)行在線和離線學(xué)習(xí),容錯性比較強;它不需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu),也不需要精確的數(shù)學(xué)模型,其簡單有效的特點適合工業(yè)應(yīng)用。在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識和控制。在辨識方面,用于辯識系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時間:在控制方面,主要有模型參考自適應(yīng)

9、控制和預(yù)測控制。另外,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和Smith控制結(jié)合對時滯系統(tǒng)進(jìn)行控制,該方法也較有效。模糊控制是一種基于專家規(guī)則的智能控制方法,它無需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,只需要現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對于時滯系統(tǒng)比較適用,它是處理時滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。,,模糊算法在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用大致有以下幾個方面:l)模糊Smith控制控制器,它一般是由Smith預(yù)估器解決對象的時滯問題,模糊控制器控制對象的大慣性環(huán)節(jié);2

10、)模糊預(yù)估控制方法,它是在模糊控制的基礎(chǔ)上,進(jìn)行并聯(lián)模糊補償。模糊預(yù)估模型是通過一系列有針對性的推導(dǎo)得到的,模糊預(yù)估器得到的增量經(jīng)過補償器的作用產(chǎn)生一個補償校正:3)模糊自整定方法,它是對模型的某些參數(shù)進(jìn)行模糊整定,以達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。其中較為有名的是CC.Hang提出的改進(jìn)smith預(yù)估模型,對主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時間常數(shù)進(jìn)行模糊整定。該方法具有較強的魯棒性和較好的控制性能,但是計算效率不是很高。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對干擾和系統(tǒng)參

11、數(shù)變化具有魯棒性,這正是魯棒控制所需要解決的問題。,,變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點,己廣泛地引起了人們的重視。非時滯變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究己形成較完整的理論體系,而時滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個具有潛力的研究方向。迄今為止,時滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論的研究仍處于萌芽和興起階段,成果較少,有待于進(jìn)一步完善?！　」I(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模化使得工業(yè)過程變得更為復(fù)雜,大時滯、不確定性、嚴(yán)重非線性、時變性對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。對于時滯系統(tǒng)的控制不是單

12、一的方法就可以完全解決的,開發(fā)與設(shè)計出各種智能控制方法或以不同的形式結(jié)合在一起,將是解決時滯過程的有效途徑。,,2.本課題的研究的意義和價值　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，不同程度地存在著時滯，而具有時滯的過程是較難被控制的。由于純延遲的存在，使得被調(diào)量不能及時反映出系統(tǒng)己經(jīng)發(fā)生的變化，即使測量信號到達(dá)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器立即作出反應(yīng)，也需要經(jīng)過純延遲時間以后，才會影響到被調(diào)量，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會有較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間

13、。所以，具有純延遲的過程被公認(rèn)為是較難控制的過程，其難控程度將隨著純延遲公占整個過程動態(tài)的比率的增加而增加?！　〉湫偷墓I(yè)過程的傳遞函數(shù)通常采用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲作為其數(shù)學(xué)模型。PID控制，Smith預(yù)估算法，預(yù)測控制是在時滯系統(tǒng)整定過程中用的比較多的三種方法。PID控制是生命力最強的基本控制方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，適應(yīng)性強和魯棒性強的優(yōu)點而成為工業(yè)控制中最廣泛應(yīng)用的基本控制方式之一。,二 本課題的基本內(nèi)容，預(yù)計解決的難題,在

14、工業(yè)生產(chǎn)過程中，具有時滯特性的被控對象是非常普遍的，大時滯的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間大大加長，甚至出現(xiàn)振蕩、發(fā)散，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)明顯變差，因此時滯對象也是比較難控制的，尤其是大時滯對象的控制一直是一個難題。在時滯系統(tǒng)的控制方法分為兩大類：1，包括自整定PID控制，Smith 預(yù)估控制和大林控制算法在內(nèi)的經(jīng)典控制；2，包括模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在內(nèi)的智能控制方法?？v觀時滯系統(tǒng)的研究和發(fā)展

15、，又可分為時域和頻域方法?！　　∧壳昂芏嗫刂品椒ɑ诮?jīng)典方法或現(xiàn)代控制理論、計算龐大復(fù)雜，很難在工業(yè)中得以真正應(yīng)用。因此，提出簡單、有效、實用的大時滯過程的控制方法是很有意義的?！　　”菊n題針對過程控制中的時滯對象展開研究，提出實用、有效的控制方法。,三 研究方案,研究內(nèi)容：在研究時滯系統(tǒng)控制算法的基礎(chǔ)上，以PID控制器為基礎(chǔ)，設(shè)計非線性PID 控制器，研究非線性控制器的優(yōu)缺點，尋找性能更好的控制器參數(shù)設(shè)計。

16、非線性時滯系統(tǒng)的研究結(jié)果相對線性時滯系統(tǒng)來說少得多，目前尚無一套比較成形的分析和設(shè)計理論。將非線性特征引入控制器設(shè)計中,已經(jīng)得到越來越多理論應(yīng)用方面的重視。目前,各種方式合成的非線性控制器包括有模糊系統(tǒng)，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),以及基于經(jīng)驗式的非線性函數(shù)設(shè)定等方法。研究方法：通過研究不同控制算法對時滯系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計非線性PID控制器，并利用Matlab軟件對算法進(jìn)行仿真。關(guān)鍵問題：完成相關(guān)英文資料翻譯；控制算法在MATLAB中的仿真

17、；在實驗室設(shè)備中的實際運行；整理資料文檔；撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。,,研究手段：本課題的主要內(nèi)容及設(shè)計方案如下：首先建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析經(jīng)典控制，智能控制等不同控制算法對時滯系統(tǒng)性能的影響。對過程控制中的執(zhí)行器和閥門間的非線性，如飽和放大器和繼電器特性等系統(tǒng)本身固有的非線性，用振動線性化的辦法處理。在低速運動控制系統(tǒng)中，利用脈沖調(diào)寬系統(tǒng)，對非線性大時滯系統(tǒng)線性化。在準(zhǔn)確分析各控制算法的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，以PID控制器為基礎(chǔ)，利用M

18、ATLAB基于NCD與優(yōu)化函數(shù)結(jié)合的非線性優(yōu)化PID控制器仿真實驗，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，適應(yīng)性強和魯棒性強，適合廣泛地運用在工業(yè)過程控制中。,四、論文進(jìn)度安排,起訖日期 工作內(nèi)容2.18－3.2 查閱中外參考文獻(xiàn)，翻譯一份英文資料。3.3－3.16 消化吸收參考文獻(xiàn)及資料，撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告。3.17－4.13 進(jìn)行控制算法仿真研究工作。4.21－

19、4.27 畢業(yè)設(shè)計中期檢查。4.14－5.18 進(jìn)行實驗研究工作。5.19－5.25 撰寫畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）。5.26－6.1 修改完善畢業(yè)論文，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計成果演示和驗收。6.2－6.8 準(zhǔn)備和進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。,五、主要參考文獻(xiàn),[1]王樹青.工業(yè)過程控制工程[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2003:185-193.[2] 金以慧,過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993,136-145

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