数的组合，与受控对象的维数明显有差别。因此，半个世纪以来，时滞系统的优化控制成为人们长期研究的热点和难点。本文基于北京华晟高科教学仪器有限公司提供的自动化过程控制实验室系统中的锅炉滞后管出口温度作为研究对象，进行机理建模分析和实验建模分析，由于此对象具有大时滞特点，故采用二次优化控制作为整个系统的优化算法，确定系统控制方案，并在上进行仿真，验证其可行性和鲁棒性，并与传统的控制比较，结果表明，应用优化的理论，不仅能使设计出对控制信号而言具有快速平稳优良的性能指标，而且该系统对于参数扰动和负荷扰动都有强壮的抗干扰能力，从而获得总体满意的控制效果。在北京三维力控软件上进行系统组态，控制组态和显示组态，编写控制策略脚本程序，并对温度时滞系统进行投运与参数整定，使系统的各项指标都能在期望的范围内。关键词时滞系统二次优化鲁棒性力控控制策略时滞系统优化控制的研究广西大学毕业设计论文时滞系统优化控制的研究摘要第章绪论课题研究的背景与意义时滞系统的控制方法研究综述研究内容与安排第章锅炉时滞系统数学模型与分析实验系统简介实验系统锅炉控制对象系统特性的辨识传递函数辨识方法介绍数学模型的建立本章小结第章系统的控制算法时滞系统二次优化控制原理各种控制算法的比较优化控制系统性能指标不同控制算法比较研究控制器参数构造本章小结第章系统的控制组态和显示组态组态数据库组态应用程序控制策略功能块介绍控制策略的编写时滞系统优化控制的研究显示组态实验测得的曲线及分析本章小结第章结论与展望参考文献附录附录附录二附录三致谢时滞系统优化控制的研究第章绪论课题研究的背景与意义在化工炼油冶金玻璃等些复杂的工业过程当中，广泛地存在着时滞现象。由于时滞的存在，使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，从而产生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大的困难。时滞系统输出的趋势不仅依赖于系统当前的状态，也依赖于过去时刻或若干时刻的状态，这种特性使得控制的方法更加复杂。在有限的控制系统中，已经有相当多的理论成果，可供自动化工程师门选用。但在无限维控制系统中，时滞系统最优化控制始终是个可望而不可及的目标。因为要实现无限维受控对象的优化控制，首先，测量它的运动状态变化的观察器，应该是无穷维的其次，它的控制器也应该是无穷维的。用物理方法无法实现这两个要求二次优化控制算法，能降低系统稳定性对被控对象特性参数准确性的依赖，减少调节参数的个数，提高系统抗干扰能力，提高系统的稳定性和鲁棒性。它的原理是先用有限维近似模型逼近因子，在最小相位域内进行结构优化，称为为次优化，后回到真实的时滞因子，再用计算机仿真寻找控制器的优化参数，实现了有限维，但不限于三维，对无穷维对象的满意控制。在建材制药和造纸等工业生产控制过程都存在着时滞现象，这类生产过程物料能源从端输入，要经过些管道，或者皮带传输才能到达另端，并在输送的过程中，逐步被加工成产品。在这些过程中太大的温度压力和物料的波动，不仅能耗大，而且严重影响产品指令，因此研究时滞系统有效优化控制具有重要的理论和实际意义。时滞系统优化控制的研究时滞系统的控制方法研究综述半个多世纪以来，人们最初用控制，这是因为控制器具有调节规律简单运行可靠易于实现而且控制应用于较多方面等特点。但滞后系统由于时间滞后特性的存在，控制作用不能及时反映到被控对象上，采用常规控制算法，为保证系统定的稳定性，就不得不减小调节器的放大倍数，从而造成调节质量大幅下降。而会产生较大超调量和较长调节时间，使过渡过程变坏，系统性能指标降低，最终效果并不理想。后来相继发展了智能自适应模糊控制等，都不能实现时滞系统的最优化控制。这是因为控制器只有两维三参数，不管怎样的变新，都不能够变成无穷维控制器。退步来讲，即使控制器变成无穷维，而观察器只有有限维，依然是不可能实现最优控制。刘永清教授曾经用二次型优化控制和动态规划等方法，在无穷维空间内寻求优化控制，但得到的控制方程仍然无解。这是因为在控制器方程中，既有超前项，又有滞后项，用解析法，目前是无法解答的。年，首次提出针对时滞系统的预估控制方法，该方法的思路是用补偿的方法，消除无穷维因子后，无限维控制系统变成有限维控制系统，就可以用有限维优化控制理论，去设计它的控制器参数。从理论上分析，预估器可以完全消除时滞的影响，从而成为种对线性时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案。但是在实际应用中却不尽人意，主要原因在于预估器需要确知被控对象的精确数学模型，而且它只能用于定常系统。这条件事实上相当苛刻，因而影响了预估器在实际应用中的控制性能。在工程上较为实用的是和两人于年提出线性定常最优控制律，这已被我国工程界学者所广泛采用。自年起，我国学者项国波教授及他的学生也用定常控制律去研究单容时滞系统优化控制时，取得了满意的效果，但在研究双容时滞系统优化控制时，发现采用型控制律存在些缺陷，并开发了型的最优控制律。时滞系统优化控制的研究研究内容与安排本文围绕装置锅炉系统进行特性辨识，系统建模控制算法的设计仿真与实验力控组态等内容展开。具体内容安排如下第章介绍了本课题的研究背景与意义以及提出了二次优化控制算法。第二章介绍了华晟系统的组成部分，对实验对象进行了研究分析，并在此过程中进行了实验操作。在上进行了描点，得到系统的特性曲线，用两点法进行取点建立了锅炉时滞系统的数学模型，得到了系统的传递函数。第三章比较了不同算法控制时滞系统的情况。分别用控制，微分先行控制，中间反馈控制和二次优化控制进行了系统的设计，并用进行了控制算法的方真，比较各个算法系统品质指标的优劣。实验模型用二次优化控制算法进行了系统控制器参数的设计，并在软件上对设计好的系统仿真。第四章将系统在力控软件上进行组态，显示组态，并编写了脚本程序和控制策略，在实验中进行验证，得到了系统实时曲线和相关结论。时滞系统优化控制的研究第章锅炉时滞系统数学模型与分析实验系统简介实验系统现场系统和包含两个支路。支路有水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路有水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有路流入换热器进行冷却，如图所示。支路包括左边水泵，流量计，电磁阀等组成，可以到达任何个容器，锅炉以及换热器。锅炉底部连接有滞后管系统。在滞后管出口装有个温度传感器，可以做温度滞后实验。锅炉内有高低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。实验通过调节锅炉中加热器输入电压来对锅炉中水加热，散热主要靠锅炉及滞后管排出的液体带走定的热量和新加入的冷水进行冷却。为了保证模型的准确性，即防止储水箱中的热水回到锅炉带入附加的热量，影响调压器正常输出，所以要将滞后管排出的热水导出，向储水箱加入冷水。同时为了保证工作点稳定，还要在建立个控制系统来控制液位在个固定高度。可编个传统对锅炉液位进行控制。时滞系统优化控制的研究图现场系统结构控制系统包括传感器执行器连接板三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。整个部分设计在个工业柜子中，开放性极强。个前门，保证了设备防尘散热等需要。内部结构设置合理，布线完全按照工业要求，整齐可靠。系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。时滞系统优化控制的研究图控制系统结构锅炉控制对象锅炉滞后管实验对象如图所示图锅炉滞后管实验对象实验操作与步骤在上，将通往锅炉管道的手阀以及电磁阀完全打开，其余阀门关闭。按照测量列表连线，具体的接线方式如表所示。时滞系统优化控制的研究打开电源，在上，启动左边水泵，给锅炉注水到大概高度液位计显示的水位高度。启动上位机，给系统加个阶跃，开始记录系统数据。为使液位保持在个动态稳定位置，在加热过程中保持左边水泵启动，这样左边可以形成水循环回路。得到实验数据后，实验结束。关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。表实验测量与控制端连线测量或控制量测量或控制量标号使用端口锅炉内液位滞后管水温调压器电动调节阀根据实验所得的数据在软件上画出曲线，所得的曲线如图所示图系统测得的特性曲线时滞系统优化控制的研究系统特性的辨识传递函数辨识方法介绍传递函数辨识的时域方法包括阶跃响应法脉冲响应法和矩形脉冲响应法等，其中以阶跃响应法最为常用。阶跃响应法利用阶跃响应曲线对系统传递函数进行辨识，阶跃响应曲线即输入量作阶跃变化时，系统输出的变化曲线。在工业过程控制系统的辨识中，阶跃响应曲线又常被称为飞升曲线或系统的飞升特性。如果系统不含有积分环节，那么阶跃输入下，系统的输出将渐近新的稳定状态，称系统具有自平衡特性，或称为自衡对象。否则，系统称为无自衡对象，输出无限制地扩大或缩小，说明系统至少具有个纯积分环节。若实验飞升曲线是条型非周期曲线，则它的数学模型可用阶惯性环节与延时环节的组合来近似，如图所示。图带延时的阶环节的飞升曲线对于型曲线，常有以下两种方法处理切线法这是种比较简单的方法，即通过图中响应曲线的拐点作条切线，在时间轴上的交点即为滞后时间，与线的交点在时间轴上的投影即为时间常数，对象的放大倍数与上面的无延时的阶惯性对象的计算样。时滞系统优化控制的研究计算法对具有纯滞后的阶惯性对象的传递函数的求取，由于采用的切线法时，因拐点和切线的斜率不易确定，故常常采用计算法来求取，其中最常用到的就是两点法和曲线拟合的方法。