【正文】 ller based on auto GA and fast PID control algorithm based on adapive geic algorithm .For two kinds of PID controller,we know how to optimize parameter is a key this paper ,we select the Geic Algorithms as a search way and get good effect. KEY WEODS threetank system； mathemetics model； adaptive geic algorithm； fast PID control algorithm based on adapive geic algorithm . 5 第一章 概論 課題來源 由于現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，將控制理論應(yīng)用于機(jī)械工程的重要性日益明顯，這就導(dǎo)致了“工程控制論”這門學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展。作為一門課程，它是機(jī)械工程類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)之一。在相關(guān)課程的教學(xué)大綱中，實驗教學(xué)一般占有 20%左右的教學(xué)時間，但其教學(xué)模式已與當(dāng)今時代強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的教育目標(biāo)產(chǎn)生矛盾。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)的實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，而綜合性、創(chuàng)新性和設(shè)計性實驗少之又少，即教學(xué)是以教師為中心的教學(xué)模式，學(xué)生的“學(xué)”限定在教師的“教”之內(nèi)。在這種模式下，雖然也強(qiáng)調(diào)實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，但這種實驗?zāi)芰κ潜划?dāng)作 技能并以“知識”的形式來加以傳授的。學(xué)生雖然也參與了實驗教學(xué)活動，但實質(zhì)上是處于被動接受的狀態(tài)，學(xué)生的主動性、積極性受到限制，非常不利于創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。但是要開展“三性”實驗需要一個典型的實驗平臺，這樣才能令學(xué)生對控制理論有理性和感性上的認(rèn)識，所以，理想的實驗平臺的設(shè)計是勢在必行的。 此外，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性、時延的特點，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對非線性、時延對象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的 控制水平，具有重要的實際意義。每一個先進(jìn)、實用的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾十年。究其原因固然是多方面的，但是，一個很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實驗室中復(fù)現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實用的具有典型對象特性的實驗裝置無疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。 三容水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業(yè)上許多 被控對象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的，針對它的研究可涵蓋控制策略的研究、復(fù)雜非線性系統(tǒng)的研究、綜合多個學(xué)科的基礎(chǔ)性研究等。通過水箱液位的控制系統(tǒng)實驗，用戶除可以掌握控制理論、計算機(jī)、儀器儀表知識和現(xiàn)代控制技術(shù)之外，可以熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)和動態(tài)工作特性 ，也可以完成經(jīng)典控制理論的研究和教學(xué)實驗，還可以設(shè)計與調(diào)試人工智能控制器，進(jìn)行智能控制算法的研究與實驗教學(xué)。 6 水箱控制策略的研究 20 世紀(jì) 60 年代，自動控制理論發(fā)展達(dá)到了一個較高的水平，當(dāng)時經(jīng)典的控制概念受到了新興的現(xiàn)代控制理論的挑戰(zhàn)。 不管哪種 控制理論研究和應(yīng)用是以被控對像的數(shù)學(xué)模型為前提的。在現(xiàn)代控制理論的研究中，往往要求系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具備特定的形式，以適合理論分析的需要。然而，在獲得這些模型的研究中，卻產(chǎn)生了如何確定被控對象的數(shù)學(xué)模型的各種困難，理論和實際應(yīng)用之間出現(xiàn)了斷層。盡管“理論”上能夠提出一個控制問題的最優(yōu)解，但在如何實現(xiàn)這個控制的過程中，需要對被控系統(tǒng)的動態(tài)特性給予一個合適的數(shù)學(xué)描述。在本文中選用實驗建模法推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可控性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性的確定性系統(tǒng)。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性，難以建立精確的模型，應(yīng)用常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工況適應(yīng)性差。針對這些問題，伴隨著現(xiàn)代控制理論應(yīng)用發(fā)展與深入，許多新型的 PID 控制器應(yīng)運(yùn)而生。本文將基于遺傳算法的兩種 PID 控制應(yīng)用于單容水箱控制 系統(tǒng)，就是對新型 PID 控制應(yīng)用的一種嘗試。 本文研究課題 過程控制廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、陶瓷以及熱力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中。例如，鍋爐是火電廠中生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備，保持鍋爐鍋筒內(nèi)的水位高度在規(guī)定范圍內(nèi)是非常重要的，如水位過低，鍋爐可能被燒干 。水位過高，生產(chǎn)的蒸汽含水量高，水還可能溢出 。這些都是不允許的。于是，如何有效控制鍋爐的水位就顯得尤為重要。 本文的重點就放在研究如何在以單容水箱為平臺的系統(tǒng)中實驗建模、和遺傳控制算法。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各門科學(xué)的研究方法逐漸趨向定量化，人們在 生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗中，對所研究的對象通常要求通過觀測和計算來定量地判明其內(nèi)的規(guī)律，為此必須建立研究對象的數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)行分析、設(shè)計、預(yù)測、控制的決策。由此提出了實驗建模的問題。 實驗建模與控制是密不可分的。在實驗建模的基礎(chǔ)上，我們將控制理論用在單容水箱平臺上，通過參數(shù)的優(yōu)化整定過程，我們將二者有機(jī)的結(jié)合起來。 本課題是在實驗室環(huán)境下，針對單容水箱這一實驗平臺，將實驗建模法應(yīng)用 7 其上，然后在此模型基礎(chǔ)上應(yīng)用相應(yīng)的 PID 控制規(guī)律，觀察其控制效果，以小見大，來驗證在過程控制中，這種新興的基于遺傳算法來尋優(yōu)的 PID 控制器的控制效果。 文的主要目的是通過對遺傳算法的學(xué)習(xí)，將其應(yīng)用在 PID 參數(shù)整定上。本課題的控制對象為實驗室過程控制裝置 —— 單容水箱。本文主要借鑒了 06 級師姐王曉靜的論文中以下兩個方面的內(nèi)容 : l、為確保硬件設(shè)備正常運(yùn)行并取得良好的實驗結(jié)果，本文通過仿真實驗確定了三容水箱硬件系統(tǒng)各部件參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)，三容水箱實驗系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)建為理論研究和實驗教學(xué)提供了良好的被控對象及實驗條件。 開展基于三容水箱系統(tǒng)的系統(tǒng)建模和仿真研究。主要內(nèi)容包括：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定比例閥門和泄流閥門的實際流量特性，通過機(jī)理建模法和實驗 建模法建立水箱系統(tǒng)典型對象的傳遞函數(shù)模型，并依據(jù)模型精度評價指標(biāo)對所建的傳遞函數(shù)模型進(jìn)行評價。 本文研討了以下幾個方面的內(nèi)容： 1. 在論文的第三章介紹了遺傳算法的基礎(chǔ)理論，從系統(tǒng)進(jìn)化論的角度闡述了遺傳算法產(chǎn)生的生物遺傳學(xué)背景，回顧了遺傳算法發(fā)展的歷史，總結(jié)了遺傳算法的特點。 開展基于三容水箱系統(tǒng)的控制策略研究。主要內(nèi)容為 PID 控制理論和快速 PID 控制理論的研究。 在系統(tǒng)模型已知后，接下來設(shè)計的任務(wù)主要集中在控制器設(shè)計上，控制器的設(shè)計歷來都具有多維、非線性等特點，即性能指標(biāo)與控制器的參數(shù)之間是一個復(fù)雜的多 維非線性函數(shù)。在大多數(shù)情況，該函數(shù)的封閉表示式難以獲得。因此基于性能指標(biāo)的設(shè)計方法的應(yīng)用有較大的困難，本文 針對遺傳PID 控制算法的不足，研究了基于自適應(yīng)遺 傳算法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究 基于自適應(yīng)遺 傳算法的改進(jìn)快速 PID 控制算法。通過仿真及實際試驗，結(jié)果表明改進(jìn)算法在 液位控制過程中能夠獲得良好的控制效果，極大地提高了控制性能。 ，對所做的工作進(jìn)行了總結(jié)與 后期工作 。 8 第二章 三容水箱系統(tǒng)簡介及數(shù)學(xué)模型 三容水箱系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理 三容水箱試驗 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 圖 21 三容水箱系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 三容水箱液位控制系統(tǒng)由水箱主體、檢測元件、增壓泵、溢流閥、比例流量閥、數(shù)據(jù)采集卡及計算機(jī)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。水箱主體由 3 個圓柱型玻璃容器 (Tankl(T1)、 Tank2(T2)和 Tank3(T3))、 1 個儲水箱、 2 個連通閥門 (LVLV4)、 3 個泄水閥門 (XVl、 XV XV5)、 2 個比例電磁閥、 2 個增壓泵、 2 個 溢流閥和連接部件組成。實驗臺工作時，增壓泵抽出儲水箱內(nèi)的水，通過兩個比例電磁閥注入容器 T1 和 T3，容器內(nèi)的水再通過 XVl、 XV3 和 XV5 排入儲水箱，這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路。圖 22 是本文所設(shè)計的三容水箱實驗臺實物圖。通過各閥門開關(guān)狀態(tài)的不同組合，可組成各階控制對象和不同的控制系統(tǒng)，以下僅對單入單出一階系統(tǒng)作分析。 計算機(jī)D / A 轉(zhuǎn)換A / D 轉(zhuǎn)換比例閥控制器h 1容器T 1h 3容器T 3h 2容器T 2數(shù)據(jù)采集卡傳感器傳感器傳感器XV 1 XV 3 XV 5溢流閥溢流閥增壓泵1比例閥1比例閥2增壓泵2 QiLV 2LV 4Qi 9 圖 22 三容水箱試驗臺實物圖 三容水箱試驗臺控制結(jié)構(gòu)的組成 控 制 器D / A 轉(zhuǎn)換執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)被 控 對象測 量 元 件A / D 轉(zhuǎn)換給 定 值 +輸出計 算 機(jī) 圖 23 三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖 三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖 29所示，其組成的各個部 分簡單介紹如 下： (1)控制器，由計算機(jī)軟件實現(xiàn)，主要實現(xiàn)各種控制算法，如增量式 PID控制算法、模糊 PID控制算法等； (2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括水泵、比例電磁流量閥及其控制器、溢流閥等。比例電 10 磁閥負(fù)責(zé)向?qū)嶒炁_的玻璃容器注水，通過控制比例閥的輸入電壓可改變其出口流量，進(jìn)而達(dá)到控制容器內(nèi)液位高度的目的；溢流閥起到保證整個系統(tǒng)壓力 的安全性 作用。 (3)被控對象為三容水箱，被控量為圓柱型玻璃容器內(nèi)的液位高度 hl。 (4)測量元件，為三個應(yīng)變式壓力傳感器，用來測量各容器內(nèi)的液位高度 值。 (5)A／ D、 D／ A接口，通過 數(shù)據(jù)采集卡的 A／ D轉(zhuǎn)換功能將把傳感器采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號，同時通過此數(shù)據(jù)采集卡的 D／ A轉(zhuǎn)換功能，將設(shè)定的數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水流量，執(zhí)行各種控制算法。 單入單出一階對象的結(jié)構(gòu) 打開閥門 XVl同時芙閉其它手動閥門，通過比例電磁閥 1對容器 T1供水。 以比例電磁閥 l的流量為輸入，以水箱 Tl的液位高度 hl為輸出．即構(gòu)成單入單 出一階系統(tǒng)對象，一階對象的結(jié)構(gòu)如圖 24所示。 圖 24 一階對象結(jié)構(gòu)圖 三 容水箱系統(tǒng)的特點 三容水箱系統(tǒng)是有較強(qiáng)代表性和工業(yè)背景的對象，具有非常重要的研究意義 和價值，主要是因為它具有如下特點： (1)通過改變各個閥門的關(guān)閉或打開狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對象，如一階對象、二階對象或雙入多出系統(tǒng)對象等； (2)三容水箱系統(tǒng)是典型的非線性、時延對象，所以可對其進(jìn)行非線性系統(tǒng)h 1容器 T 1比例閥 1溢流閥增壓泵 1XVlQi 11 的辨識和控制等的相關(guān)研究： (3)三容水箱系統(tǒng)可構(gòu)造單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制 系統(tǒng)等，從而對各種控制系統(tǒng)的研究提供可靠對象； (4)由于對三容水箱系統(tǒng)的控制主要通過計算機(jī)來完成，所以，可由計算 機(jī)編程實現(xiàn)各 種控制算法來對水箱系統(tǒng)進(jìn)行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗平臺； (5)可以在控制過程中隨時改變泄水閥門的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對象和試驗平臺。 實驗建模法推導(dǎo)三容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 時域法建模是實驗建模的一種，可分為階躍響應(yīng)曲線法和矩形脈沖響應(yīng)曲線法，由于階躍信號容易獲得且對象特性的測定方法較多，所以本文主要采用階躍響應(yīng)曲線法。即給被控對象施加階躍信號，測定其階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)曲線的特征參數(shù)，求出被控對象的傳遞函數(shù)。 本文直接引用 06級師姐王曉靜的論文中一階對象的分段線性化模型式 【 1】 （ 318）： ????????????????????????????31031021021011011060600)()(hshshshshssiQsH 式（ 21） 根據(jù)一階對象的分段線性化模型式 (21)，本文采用階躍響應(yīng) 切 線法 【 2】 分別測量穩(wěn)定液位高度在 60mm至 1lOmm、 1lOmm至 210mm、 210mm至 3lOmm之間的數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)以平衡工作點在 180mm時的對象為例進(jìn)行說明。 當(dāng)容器