【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)在科學技術(shù)的迅速發(fā)展，將控制理論應用于機械工程的重要性日益明顯，這就導致了“工程控制論”這門學科的產(chǎn)生與發(fā)展。作為一門課程，它是機械工程類專業(yè)的重要理論基礎之一。在相關(guān)課程的教學大綱中，實驗教學一般占有 20%左右的教學時間，但其教學模式已與當今時代強調(diào)培養(yǎng)高素質(zhì)人才的教育目標產(chǎn)生矛盾。傳統(tǒng)的實驗教學的實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，而綜合性、創(chuàng)新性和設計性實驗少之又少，即教學是以教師為中心的教學模式，學生的“學”限定在教師的“教”之內(nèi)。在這種模式下，雖然也強調(diào)實驗能力的培養(yǎng)，但這種實驗能力是被當作 技能并以“知識”的形式來加以傳授的。學生雖然也參與了實驗教學活動，但實質(zhì)上是處于被動接受的狀態(tài)，學生的主動性、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，這樣才能令學生對控制理論有理性和感性上的認識，所以，理想的實驗平臺的設計是勢在必行的。 此外，人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應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，應用常規(guī)的控制手段難以達到理想的控制效果，研究對非線性、時延對象的先進控制策略，提高系統(tǒng)的 控制水平，具有重要的實際意義。每一個先進、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，當前的學術(shù)研究成果與實際生產(chǎn)應用技術(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，理論的算法一旦應用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應用前景。在目前尚不具有在實驗室中復現(xiàn)真實工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟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)學模型，具有很強的代表性，有較強的工業(yè)背景，對三容水箱數(shù)學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、復雜非線性系統(tǒng)的研究、綜合多個學科的基礎性研究等。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、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實驗，還可以設計與調(diào)試人工智能控制器，進行智能控制算法的研究與實驗教學。 6 水箱控制策略的研究 20 世紀 60 年代，自動控制理論發(fā)展達到了一個較高的水平，當時經(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 控制理論研究和應用是以被控對像的數(shù)學模型為前提的。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)學模型的各種困難，理論和實際應用之間出現(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)學描述。在本文中選用實驗建模法推導數(shù)學模型。 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，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學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，應用常規(guī) PID 控制器不能達到理想的控制效果；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，對運行工況適應性差。針對這些問題，伴隨著現(xiàn)代控制理論應用發(fā)展與深入，許多新型的 PID 控制器應運而生。本文將基于遺傳算法的兩種 PID 控制應用于單容水箱控制 系統(tǒng)，就是對新型 PID 控制應用的一種嘗試。 本文研究課題 過程控制廣泛應用于石油、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。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各門科學的研究方法逐漸趨向定量化，人們在 生產(chǎn)實踐和科學實驗中，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)學模型，從而進行分析、設計、預測、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，將實驗建模法應用 7 其上，然后在此模型基礎上應用相應的 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習，將其應用在 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、為確保硬件設備正常運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)的設計構(gòu)建為理論研究和實驗教學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)模型精度評價指標對所建的傳遞函數(shù)模型進行評價。 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理論，從系統(tǒng)進化論的角度闡述了遺傳算法產(chǎn)生的生物遺傳學背景，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，接下來設計的任務主要集中在控制器設計上，控制器的設計歷來都具有多維、非線性等特點，即性能指標與控制器的參數(shù)之間是一個復雜的多 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。因此基于性能指標的設計方法的應用有較大的困難，本文 針對遺傳PID 控制算法的不足，研究了基于自適應遺 傳算法，在此基礎上進一步研究 基于自適應遺 傳算法的改進快速 PID 控制算法。通過仿真及實際試驗，結(jié)果表明改進算法在 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 構(gòu)被 控 對象測 量 元 件A / D 轉(zhuǎn)換給 定 值 +輸出計 算 機 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 磁閥負責向?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，進而達到控制容器內(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，將設定的數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓信號傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)進水流量，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來完成，所以，可由計算 機編程實現(xiàn)各 種控制算法來對水箱系統(tǒng)進行控制，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。 實驗建模法推導三容水箱系統(tǒng)的數(shù)學模型 時域法建模是實驗建模的一種，可分為階躍響應曲線法和矩形脈沖響應曲線法，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曲線法。即給被控對象施加階躍信號，測定其階躍響應曲線，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 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)學模型?，F(xiàn)以平衡工作點在 180mm時的對象為例進行說明。 當容器