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创建时间:01-08

基于MCGS的水箱液位的自适应PID控制


文献综述

自适应控制问题的提出
很多的控制对象的数学模型随时间的和随工作环境的的改变而变化,其变化规律往往不知道。例如导弹或飞机的气动参数会随飞机的飞行速度,飞行高度和大气密度而变。特别是导弹的飞行速度和飞行高度的变化范围很大,因此导弹的数学参数可在很大的范围内变化。除了环境变化对控制对象有影响外,控制对象本身的变化也可影响其数学摸型的参数。例如导弹在飞行过程中,其重量和质心位置会随着燃料的消耗而改变,这会影响其数学模型的参数。当控制对象的数学模型参数在小范围内变化时,可用一般的反馈控制、最优控制或补偿控制等方法来消除或减小参数的变化对控制品质的有害影响。如果控制对象的参数在大范围内变化时,上面这些方法就不能圆满地解决问题。为了解决控制对象参数在大范围能变化时,系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的运行状态,就提出了自适应控制问题。
自适应控制可简单地定义如下:在系统工作过程中,系统本身能不断地检测系统参数或运行指标,根据参数的变化或运行指标的变化,改变控制参数或改变控制作用,使系统运行于最优或接近于最优工作状态。自适应控制也是一种反馈控制,但它不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈,而是一种比较复杂的反馈控制。自适应控制很复杂,即使对于线性定常数的控制对象,其自适应控制亦是非线性时变反馈控制系统。所以设计自适应控制比一般的反馈控制要复杂得多。
一、自适应控制的基本内容和分类
自适应控制的种类很多,大致可分为三大类:自校正控制、模型参考自适应控制和其它类型的自适应控制。
1.自校正控制
自校正控制的基本思想是将参数递推估计算法与对系统运行指标的要求结合起来,形成一个能自动校正调节器或控制器参数的实时计算机控制系统。首先读取被控系统对象的输入和输出的实测数据,用在递推辨识对象的参数向量和随机干扰的数学模型。按照辨识求得的参数向量估计值和对系统运行指标的要求,随时调整调节器或控制器参数,给出最优控制使系统适应于本身参数的变化和环境干扰的变化,处于最优的工作状态。
自校正控制可分为自校正调节器与自校正控制器两大类。自校正控制的运行指标可以是输出方差最小,最优跟踪或具有希望的极点配置等等。因此自校正控制有可分为最小方差自校正控制、广义方差自校正控制和极点配置自校正控制等。
设计自校正控制的主要问题是用递推辨识系统参数,而后根据系统运行指标来确定调节器或控制器的参数。一般情况下自校正控制使用于离散随机控制系统。
2.模型参考自适应控制
所谓模型参考自适应控制,就是在系统中设置一个动态品质优良的参考模型,在系统运行过程中,要求被控制对象的动态特性与参考模型的动态特性一致,例如要求状态一致或输出一致。
自适应控制方案中参考模型和被控对象是并联,因此这种方案称为并联模型参考自适应系统。在这种自适应控制方案中,由于被控对象的性能可与参考模型的性能进行直接比较,因而自适应速度比较快,也较容易实现。这是一种应用范围较广的方案。控制对象的参数一般是不能调整的,为了改变控制对象的动态特性,只有调节前馈调节器和反馈调节器的参数。控制对象和前馈调节器及反馈调节器一起组成一个可调整的系统,称之为可调系统,有时为了方便起见就用可调系统方框表示被空对象和前馈调节器及反馈调节器的组合。
除了并联模型参考自适应控制之外,还有串联参考自适应控制和串并联模型参考自适应控制。在自适应控制中一般都采用并联模型参考自适应控制。
上面按结构形式对模型参考自适应控制系统进行分类,还有其他的分类方法。例如按自适应控制的实现方式来分,可分为:(1)连续时间模型参考自适应系统;(2)离散时间模型参考自适应系统;(3)混合模型参考自适应系统。
模型参考自适应控制一般使用于确定性连续控制系统。
模型参考自适应控制的设计可用局部参数优化理论、李雅普诺夫稳定性理论和超稳定性理论。用局部参数优化理论来设计模型参考自适应系统是最早采用的方法,用这种设计出来的模型参考自适应系统不一定稳定,还需进一步研究自适应系统的稳定性。目前都采用李雅普诺夫稳定性理论和超稳定性理论来设计模型参考自适应系统,在保证系统稳定的前提下,求出自适应控制规律。
3.其他类型的自适应控制
自校正控制和模型参考自适应控制是自适应控制的基本模式。还有其他形式的自适应控制,主要的有变结构自适应控制,混合自适应控制,对象具有未建模动态的自适应控制,非线性控制对象的自适应控制和模糊自适应控制等。
MCGS的简单介绍
MCGS(Monitor Control Generated System.通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式想用户提供解决实际问题的方案,在自动化利于有着广泛的引用。
MCGS的主要特性和功能如下:
1.    简单灵活的可视化操作界面。
2.    实时性强、良好的并行处理性能。
3.    丰富、生动的多媒体画面。
4.    开放式结构,广泛的数据获取和强大的数据处理功能。
5.    完善的安全机制。
6.    强大的网络功能。
7.    多样化的报警功能。
8.    实时数据库为用户分步组态提供极大的方便。
9.    支持多种硬件设备,实现“设备无关”。
10.    方便控制复杂的运行流程。
11.    良好的可维护性和可扩充性。
12.    用数据库来管理数据存储,系统可靠性高。
13.    设计对象元件库,组态工作简单方便。
14.    实现对工控系统的分布式控制和管理。
MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行,组态环境相当于一套完整的工具软件,它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统,它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义,必须与组态结果数据库一起作为一个整体,才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成,运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。
组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境想运行环境的过渡,它们之间的关系如下图。
 

由MCGS生成的用户应用系统,其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成,如下图所示
 
窗口是屏幕中的一块空间,是一个“容器”,直接提供给用户使用。在窗口内,用户可以放置不同的构件,创建图形对象并调整画面的布局,组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中,每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口,但可以有多个用户窗口和多个运行策略,实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面,组态配置各种不同类型和功能的对象或构件,同时可以对实时数据进行可视化处理。
参考文献:
[1] 刘金琨   智能控制技术  2015年5月
[2] 刘培玉  葛斌  王金城。最优控制系统设计     2010年3月
[3] 王伟   李晓理。多模型自适应控制      2011年7月
[4] 诸静 神经网络控制与应用        1995年12月
[5] 孙增圻 智能控制理论与技术     1997年      北京:清华大学出版社
[6] 蔡自兴 智能控制          北京:电子工业出版社
[7] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司 MCGS用户指南
[8] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司 MCGS参考手册

 

毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告
2.开题报告:一、课题的目的与意义;二、课题发展现状和前景展望;三、课题主要内容和要求;四、研究方法、步骤和措施
                        开 题 报 告
一、    课题的目的与意义:
在工业生产过程中,许多被控对象受负荷变化或干扰因素影响,其对象特性参数或结果很容易发生变化。自适应控制运用现代控制理论在线识别对象特征参数,实时改变其控制策略,使控制系统品质指标保持在最佳范围内,但其控制效果的好坏取决于辨别模型的精确度,这对于复杂系统是非常困难的。因此,在工业生产过程中,大量采用的仍然是PID算法。PID参数的确定方法很多,但大多数都以对象特性为基础。
在此课题中,主要介绍的是,自适应PID在水箱控制液位中的应用。在一些用普通的PID不能达到一定效果的地方,自适应PID很容易就能达到很好的效果。
二、    课题发展现状和前景展望
在上世纪50年代末,由于飞行控制的需要,美国麻省理工学院怀特教授首先提出飞机自动驾驶仪的模型参考自适应控制方案,成为MIT方案。在该方案中采用局部参数优化理论设计自适应控制规律,这一方案没有得到实际应用。用局部参数优化方法设计模型参考自适应系统,还需检验其稳定性,这就限制了这一方法的应用。在1966年德国Parks提出采用Liapunov第二方法来推导自适应算法,以保证自适应系统全局稳定。在用被控对象的输入和输出构成自适应规律时,在自适应规律中包含输入和输出的各阶导数,这就降低了自适应对干扰的抑制能力,为了避免这一缺点,印度学者Narendra和其他学者提出各自的不同方案。罗马尼亚学者Popov在1963年提出超稳定理论,法国学者Landau把超稳定理论应用到模型参考自适应控制中来。用超稳定性理论的模型参考自适应系统是渐进稳定的。
自适应调节器经过30多年的发展,无论在理论上或在应用上都取得了很大的进展。近10多年来,由于计算机的迅速发展,特别是微处理机的广泛普及,为自适应控制的实际应用创造了有利条件。自适应控制在飞行控制、卫星跟踪望远镜的控制、大型油轮的控制、电力拖动、造纸和水泥配料等方面的控制中得到应用。利用自适应控制能够解决一些常规的反馈控制所不能解决的复杂控制问题,能大幅度提高系统稳态精度和跟踪精度。
三、    课题主要内容和要求
1.    熟悉并了解MCGS通用监控系统的应用
2.    在MCGS中实现PID自适应控制方法,并制作相应的界面
3.    修改系统构成,并加入算法
4.    上机模拟实验
四、    研究方法、步骤和措施
1.    上网查找资料,为了搞好这次设计我上网查找了大量关于MCGS在工业中的实例和一些关于PID控制的资料。
2.    自学软件,本次设计要用到MCGS软件,在明确思路之后要做的第一件是就是先学习这个软件的应用,做到有的放矢,分步进行。
3.    熟悉内容,先把要用到的部分资料大概浏览下,确定大概方向,明确思路和努力的方向。把与PID控制器有关的内容先复习或学习一遍,先知道我要做的是什么?该怎么去做。
4.    上机调试,在确定算法和对MCGS软件了解,确定确实可行之后就上机调试,做最后的整理工作。

目  录

摘  要        I
Abstract      II
第1章  概述    1
1.1自适应控制问题的提出    1
1.1.1自校正控制    1
1.1.2模型参考自适应控制    2
1.1.3其他类型的自适应控制    2
1.2 组态软件的发展状况    3
1.3 本课题研究所要完成的任务    3
第2章    自适应PID控制    5
2.1 PID控制原理    5
2.2 自适应PID控制    6
2.2.1 参数自适应PID控制    7
2.2.2基于过程特征参数的自适应PID控制    8
第3章 组态软件介绍及应用    9
3.1 MCGS的主要功能    9
3.2  MCGS的构成    11
3.3工程效果图    14
第4章 实验仿真与程序    21
4.1 硬件设备介绍    21
4.1.1 ICP7017模块的功能介绍:    22
4.2自适应PID在本课题中的应用    23
4.3 算法程序    25
4.4 系统调试结果    25
结束语        28
参考文献    29
致 谢        30
附 录        31

 

第1章  概述
随着人类社会的发展,工业自动化也有深入的发展,电子计算机的的出现更使科学技术产生了一场深刻的革命。特别是自70年代初以来,随着大规模集成电路的发展,出现了微型计算机及单片微型计算机,其运算速度快,可靠性高,价格便宜,被广泛的应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。最常见的就是用电子计算机代替自动控制系统中的常规控制设备,对系统进行调节和控制。由于计算机具有强大的逻辑判断、计算和信息处理能力,从而使自动控制达到新的水平,大大提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。
1.1自适应控制问题的提出 
很多的控制对象的数学模型随时间的和随工作环境的的改变而变化,其变化规律往往不知道。例如导弹或飞机的气动参数会随飞机的飞行速度,飞行高度和大气密度而变。特别是导弹的飞行速度和飞行高度的变化范围很大,因此导弹的数学参数可在很大的范围内变化。除了环境变化对控制对象有影响外,控制对象本身的变化也可影响其数学模型的参数。例如导弹在飞行过程中,其重量和质心位置会随着燃料的消耗而改变,这会影响其数学模型的参数。当控制对象的数学模型参数在小范围内变化时,可用一般的反馈控制、最优控制或补偿控制等方法来消除或减小参数的变化对控制品质的有害影响。如果控制对象的参数在大范围内变化时,上面这些方法就不能圆满地解决问题。为了解决控制对象参数在大范围能变化时,系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的运行状态,就提出了自适应控制问题。
自适应控制的种类很多,大致可分为三大类:自校正控制、模型参考自适应控制和其它类型的自适应控制。
1.1.1自校正控制
自校正控制的基本思想是将参数递推估计算法与对系统运行指标的要求结合起来,形成一个能自动校正调节器或控制器参数的实时计算机控制系统。首先读取被控系统对象的输入和输出的实测数据,用在递推辨识对象的参数向量和随机干扰的数学模型。按照辨识求得的参数向量估计值和对系统运行指标的要求,随时调整调节器或控制器参数,给出最优控制使系统适应于本身参数的变化和环境干扰的变化,处于最优的工作状态。
自校正控制可分为自校正调节器与自校正控制器两大类。自校正控制的运行指标可以是输出方差最小,最优跟踪或具有希望的极点配置等等。因此自校正控制有可分为最小方差自校正控制、广义方差自校正控制和极点配置自校正控制等。
设计自校正控制的主要问题是用递推辨识系统参数,而后根据系统运行指标来确定调节器或控制器的参数。一般情况下自校正控制使用于离散随机控制系统。
1.1.2模型参考自适应控制
所谓模型参考自适应控制,就是在系统中设置一个动态品质优良的参考模型,在系统运行过程中,要求被控制对象的动态特性与参考模型的动态特性一致,例如要求状态一致或输出一致。
自适应控制方案中参考模型和被控对象是并联,因此这种方案称为并联模型参考自适应系统。在这种自适应控制方案中,由于被控对象的性能可与参考模型的性能进行直接比较,因而自适应速度比较快,也较容易实现。这是一种应用范围较广的方案。控制对象的参数一般是不能调整的,为了改变控制对象的动态特性,只有调节前馈调节器和反馈调节器的参数。控制对象和前馈调节器及反馈调节器一起组成一个可调整的系统,称之为可调系统,有时为了方便起见就用可调系统方框表示被控对象和前馈调节器及反馈调节器的组合。
除了并联模型参考自适应控制之外,还有串联参考自适应控制和串并联模型参考自适应控制。在自适应控制中一般都采用并联模型参考自适应控制。
上面按结构形式对模型参考自适应控制系统进行分类,还有其他的分类方法。例如按自适应控制的实现方式来分,可分为:(1)连续时间模型参考自适应系统;(2)离散时间模型参考自适应系统;(3)混合模型参考自适应系统。
模型参考自适应控制一般使用于确定性连续控制系统。
模型参考自适应控制的设计可用局部参数优化理论、李雅普诺夫稳定性理论和超稳定性理论。用局部参数优化理论来设计模型参考自适应系统是最早采用的方法,用这种设计出来的模型参考自适应系统不一定稳定,还需进一步研究自适应系统的稳定性。目前都采用李雅普诺夫稳定性理论和超稳定性理论来设计模型参考自适应系统,在保证系统稳定的前提下,求出自适应控制规律。
1.1.3其他类型的自适应控制
自校正控制和模型参考自适应控制是自适应控制的基本模式。还有其他形式的自适应控制,主要的有边结构自适应控制,混合自适应控制,对象具有未建模动态的自适应控制,非线性控制对象的自适应控制和模糊自适应控制等。
1.2 组态软件的发展状况
组态软件是随着分布式控制系统及计算机技术的日趋成熟而发展起来的,尤其是近几年,随着计算机网络技术的发展,使得监控设备之间的互联变得更加简便,提高了自动化工程的工作效率,减少了系统维护和升级的费用。
 在国外,如美国,组态软件已较为成熟,推入市场的组态软件有很多种。如Intellution公司的IFIX、Wonderware公司的Intouch、U.S.Date公司的Factorylink、IBM公司的Plantworks,美国GE公司的CimPlicity,美国AB公司(Rockwell自动化)的RSView32,德国西门子公司的WinCC等。所谓组态,就是工程技术人员按应用要求,选择所需的功能模块,确定其运行方式,结合相关信息组成合适的应用系统。组态软件,就是一种通过其运行从而帮助人们完成组态的工具软件。
组态软件于80年代初出现,并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前,组态软件在我国的应用并不普及。究其原因,大致有以下几点:①国内用户还缺乏对组态软件的认识;②在很长时间里,国内用户的软件意识还不强,面对价格不菲的进口软件(早期的组态软件多为国外厂家开发),很少有用户愿意去购买正版,甚至在多数项目预算中不包含软件费用;③当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高,组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、

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