【正文】 的開環(huán)階躍響應曲線，求取被控對象的等效純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計算得出一系列參數(shù)。相對傳統(tǒng)整定方法來說，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結果比較精確，控制效果比較好。此外，從某種意義上說，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小。近年來，隨著智能控制理論的發(fā)展，專家系統(tǒng)、模糊控制以及神經網絡日益受到控制界的重視，出現(xiàn)了一些智能優(yōu)化手段，主要有如下幾種:（1）專家智能型PID參數(shù)自整定技術。識別過程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無需對被控對象做階躍擾動試驗。專家系統(tǒng)的核心就是知識庫，控制器參數(shù)的調整完全依賴于專家的經驗，無需過程對象模型，但不同的專家整定參數(shù)的經驗不同，因而針對相同的過程會出現(xiàn)不同的整定參數(shù)。（2）基于模糊推理的PID自整定。這種控制器不依賴于特定的過程，因而魯棒性很強。(3)基于遺傳算法的PID參數(shù)整定。優(yōu)化PID控制器時，將控制器參數(shù)按二進制或其它形式編碼，按Kp、TI和TD拼接成一條染色體個體，然后隨機生成一組個體，稱為群體。依據(jù)個體的適應度按概率從當前群體中選擇個體進行交叉、變異產生下一代群體。因為在運用遺傳算法對PID參數(shù)尋優(yōu)的個體評價過程中，許多個體所對應的參數(shù)都可能使實際過程系統(tǒng)失控，這在應用中是不能接受的，因此一般采用的是基于模型的PID控制器參數(shù)優(yōu)化，對過程不產生任何影響。遺傳算法操作的是解空間的一組個體，而非單個解，因而可以有效地減小局部收斂的危險。從理論上來看，它能有效地攻克十分困難的優(yōu)化問題。盡管遺傳算法在優(yōu)化問題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但由于其本身還存在著一些問題，如理論上還不完善、收斂性問題、未成熟收斂(早熟)、局部搜索能力差等，遺傳算法的應用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進的遺傳算法?！?】第三章 多容液位控制系統(tǒng)的建模 過程建模的方法從控制的角度來看，過程的靜態(tài)數(shù)學模型是系統(tǒng)方案和控制算法設計的重要基礎之一，然而，在不少情況下必須同時掌握過程的動態(tài)特性，需要把靜態(tài)模型和動態(tài)模型結合起來。 機理法用機理法建模就是根據(jù)過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程，例如物質平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程，反映流體流動、傳熱、傳質、化學反應等基本規(guī)律的運動方程，物性參數(shù)方程和某些設備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學模型。機理法建模的主要步驟如下：(1)根據(jù)過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程；(2)消去中間變量，建立狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關系；(3)在工作點附近對方程進行增量化，建立增量化方程；(4)在共作點處進行線性化處理，簡化過程特征；(5)列出狀態(tài)方程和輸出方程。用機理法建模時，有時也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況，這時可用實驗數(shù)據(jù)或實測工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)。它根據(jù)過程的輸入和輸出的實測數(shù)進行某種數(shù)學運算后得到模型，主要特點是把被研究的過程視為一個黑匣子，完全從外特性上描述它的動態(tài)性質，也稱為“黑箱模型”。測試法建模又可分為經典辨識法和系統(tǒng)辨識法兩大類；(1)經典辨識法不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進行比較簡單的數(shù)學處理，計算工作量一般較小。采用經典辨識法，直接獲得的是非參數(shù)模型，一般是時間或頻率為自變量的試驗曲線或數(shù)據(jù)集。對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結構，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應用。(2)系統(tǒng)辨識法其特點是可以清除測試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測試數(shù)據(jù)，計算機是不可缺少的工具。系統(tǒng)辨識方法不需要過程的先驗知識。基本步驟是：首先通過手動操作使過程共作所需測試的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)定運行一段時間后，快速改變過程的輸入量，并用紀錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄過程輸入和輸出的變化曲線，經過一段時間后，過程進入新的穩(wěn)態(tài)，試驗結束得到的記錄曲線就是過程的階躍響應。雙容過程是最簡單的多容過程，本設計以雙容過程為例，分析多容過程的數(shù)學建模。所以不僅容器1的液位會影響容器2的液位，容器2的液位也會影響容器1的液位，兩容器相互影響。最后導出容器容器2的過程傳遞函數(shù)、分別為： (311) (312)可見兩個環(huán)節(jié)都是二階的。從上述分析可知，該過程是一個典型的二階環(huán)節(jié)，其動態(tài)特性取決于自振蕩頻率和阻尼系數(shù)。當=0時，系統(tǒng)特性呈等幅振蕩，此時振蕩頻率為。 無相互影響的雙容液位過程，兩容器的流出閥均為手動閥門，流量只與容器1的液位有關，與容器2的液位無關。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有非線性方程： (314) (315)過程的原始數(shù)據(jù)模型為： (316)令容器容器2相應的線性水阻分別為和： (317) (318)其中為容器1的初始液位，為容器2的初始液位。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為： (324)由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當于兩個具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個具有自平衡能力的過程。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數(shù)，故總體反應要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多?！?】第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真 被控對象的仿真模型單回路控制系統(tǒng)結構簡單、投資少、即使成熟、操作維護也比較方便，在生產過程控制中得到廣泛應用。串級控制系統(tǒng)必須合理地進行設計，才能使串級控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得到充分的發(fā)揮。串級控制系統(tǒng)對進入副回路的二次干擾具有很強的克服能力?！?2】在雙容控制系統(tǒng)中，主被控對象的數(shù)學模型為，副被控對象的數(shù)學模型為，控制器采用PI控制規(guī)律對系統(tǒng)進行仿真研究。通過分析和比較單回路和串級也為控制系統(tǒng)的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統(tǒng)和串級液位控制系統(tǒng)的差異，具體仿真過程如下所述。(a)(b)(c) 單回路系統(tǒng)二次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖 (b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動信號同時作用下的輸出曲線同樣對于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行大約900s后，圖加幅值為設定值40%的一次階躍擾動信號，此時系統(tǒng)的調節(jié)時間大約為530s。(a)(b)(c) 單回路系統(tǒng)一次和二次干擾作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c) 設定值和擾動值同時作用下的輸出曲線 串級控制系統(tǒng)的仿真副控制器選擇P作用，主控制器選擇PID作用，整定串級控制器的參數(shù)為最佳值，同樣是40%的設定值設定值擾動。(a)(b)(c) 串級控制系統(tǒng)二次干擾作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動同時作用下的輸出曲線對于串級控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行大約900s后，突加幅值為設定值40%的一次階躍擾動信號，此時系統(tǒng)的調節(jié)時間大約為260s。(a)(b)(c) 串級控制系統(tǒng)一次和二次干擾同時作用下的響應曲線(a) 仿真框圖(b) 擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c) 設定值和擾動同時作用下的輸出曲線從上面的仿真曲線可以看出，串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)具有更好的控制效果。剛開始拿到論文時間，我對題目還不是很明白，就想通過上網查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒找到，就在這找資料的過程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關論文，從中知道了題目的意思，和論文寫作思路。問題出現(xiàn)最多的就是仿真過程，剛開始仿真的時候，我以為建立模型然后就能達到預期的結果，沒想到我參數(shù)沒有調節(jié)好，以致我在仿真的這個地方用了很長時間，最后還是在老師和同學的幫助下完成的。單一是因為我只有串級控制，所以我又做了一個單回路控制過程，又來比較兩者的優(yōu)越，通過仿真結果得出的波形，來說明問題，而不是通過單一的文字描述來說理。經過再三修改，論文終于完成了，也通過了老師的認可，論文終于定稿了。研究展望本文對多容液位的研究只不過是基本雙容液位的基礎之上，所涉及的也不過是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒有涉及。致謝本文是在馮翼老師精心指導和大力支持下完成的。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 本論文的完成也離不開其他各位老師、同學和朋友的關心與幫助。還要感謝同門的師兄師妹們，在涉及過程中給我以許多建議和幫助。160