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1、一、课题的内容和要求（研究内容、研究目标和解决的关键问题） 在工业生产过程中，具有时滞特性的被控对象是非在工业生产过程中，具有时滞特性的被控对象是非常普遍的，大时滞的存在严重影响了系统的稳定性，导致常普遍的，大时滞的存在严重影响了系统的稳定性，导致系统的超调量变大，调节时间大大加长，甚至出现振荡、系统的超调量变大，调节时间大大加长，甚至出现振荡、发散，系统的动态品质明显变差，因此时滞对象也是比较发散，系统的动态品质明显变差，因此时滞对象也是比较难控制的，尤其是大时滞对象的控制一直是一个难题。目难控制的，尤其是大时滞对象的控制一直是一个难题。目前很多控制方法基于经典方法或现代控制理论、计算庞大前
2、很多控制方法基于经典方法或现代控制理论、计算庞大复杂，很难在工业中得以真正应用。因此，提出简单、有复杂，很难在工业中得以真正应用。因此，提出简单、有效、实用的大时滞过程的控制方法是很有意义的。效、实用的大时滞过程的控制方法是很有意义的。 本课题针对过程控制中的时滞对象展开研究，提出本课题针对过程控制中的时滞对象展开研究，提出实用、有效的控制方法。实用、有效的控制方法。 关键问题：关键问题： 完成相关英文资料翻译；控制算法在完成相关英文资料翻译；控制算法在MATLAB中的仿真；中的仿真；在实验室设备中的实际运行；整理资料文档；撰写毕业设在实验室设备中的实际运行；整理资料文档；撰写毕业设计说明书。
3、计说明书。课题的研究方法和技术路线 熟悉课题及要求，检索有关资料；熟悉课题及要求，检索有关资料； 提出基本控制方案，撰写开题报告；提出基本控制方案，撰写开题报告； 用用MATLAB对算法进行仿真；对算法进行仿真； 完成组态，并用完成组态，并用JX-300X软件编程，软件编程，输入计算机，调试；输入计算机，调试； 完成课题要求。完成课题要求。基础条件 MATLAB 软件软件 PC机机 浙大中控浙大中控DCS 上海齐鑫公司过程控制对象上海齐鑫公司过程控制对象 PC机机二、开题报告开题报告一、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势二 本课题的基本内容，预计解决的难题三、研究方案四、论文进度
4、安排五、主要参考文献开题报告主要内容一.文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）1. 课题研究的现状及发展趋势课题研究的现状及发展趋势 滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。因此近年来起闭环系统的不稳定。因此近年来,对时滞系统的控制方对时滞系统的控制方法研究方兴未艾。法研究方兴未艾。 从从50年代以来年代以来,时滞控制先后出现了基于模型的方法时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型这两大方法。基于模型的方法有和无模型这两大方法。基于模型的方法有Smith预估补偿预估补偿控制、
5、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊Smith控制、模糊自适应控制、模糊控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转向智控制、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制能控制,或者是二者的结合。或者是二者的结合。 PID控制是迄今为止应用最广泛的一种控制方法。在控制是迄今为止应用最广泛的一种控制方法。在工业过程控制中大多采用工业过程控制中大多采用PID控制控制,其优点是
6、原理简单、通其优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好。然而用性强、鲁棒性好。然而PID控制在纯滞后系统中的应用控制在纯滞后系统中的应用是有一定限制的是有一定限制的,对于滞后较大的系统对于滞后较大的系统,常规常规PID控制往往控制往往显得无能为力。不过显得无能为力。不过PID控制的诸多优点还吸引着许多学控制的诸多优点还吸引着许多学者者,探讨将它与其它方法相结合来改善时滞过程的控制效探讨将它与其它方法相结合来改善时滞过程的控制效果。目前主要的方法有果。目前主要的方法有:利用开关阶跃响应法来辩识被控利用开关阶跃响应法来辩识被控过程的特征参数过程的特征参数,再通过整定公式来得到再通过整定公式来得到PID参
7、数参数,该方法该方法对时滞过程比较适用对时滞过程比较适用,并具有一定的鲁棒性并具有一定的鲁棒性;PID控制与模控制与模糊控制相结合形成模糊糊控制相结合形成模糊PID控制器控制器;针对过程参数的不确定针对过程参数的不确定性和多变性设计的自适应和自校正性和多变性设计的自适应和自校正PID控制控制:随着智能控制随着智能控制的发展的发展,PID控制也和模糊控制及神经网络相结合控制也和模糊控制及神经网络相结合,构成的构成的控制器既具有模糊控制的简单和有效的非线性控制控制器既具有模糊控制的简单和有效的非线性控制,又具又具有神经网络的自学习、自适应能力有神经网络的自学习、自适应能力,还具有还具有PID控制的
8、广泛控制的广泛性性,以此来提高控制系统的性能以此来提高控制系统的性能;模仿人的智能思想学习得模仿人的智能思想学习得到仿人智能积分控制器、仿人比例控制器等。到仿人智能积分控制器、仿人比例控制器等。 O.J.M.Smith最早在最早在1958年提出预估控制器年提出预估控制器,这是一这是一个时滞预估补偿算法个时滞预估补偿算法,其最大优点是将时滞环节移到了闭其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外环之外,提高了系统的控制品质提高了系统的控制品质,但其过于依赖精确的数学但其过于依赖精确的数学模型模型,实际应用比较困难。为此人们提出了许多改进方法实际应用比较困难。为此人们提出了许多改进方法,大致可以分为两种大
9、致可以分为两种:一种是基于结构上的改进一种是基于结构上的改进,这类方法主这类方法主要是结合智能控制通过在不同的位置增加一些并联或者串要是结合智能控制通过在不同的位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿联的环节进行补偿;另一种是在参数整定上的改进另一种是在参数整定上的改进,这种方这种方法将法将 项通过泰勒多项式展开用鲁棒性能指标及其他的项通过泰勒多项式展开用鲁棒性能指标及其他的指标函数对控制器进行解析设计指标函数对控制器进行解析设计,或者对其中的控制参数或者对其中的控制参数进行鲁棒调整进行鲁棒调整,还有的方法是对还有的方法是对Smith预估系统的反馈传递预估系统的反馈传递函数进行改进函数进行改进,
10、以增强它的鲁棒性和稳定性。以增强它的鲁棒性和稳定性。 神经网络具有自组织和自学习的特点神经网络具有自组织和自学习的特点,它可以任意精它可以任意精度逼近非线性函数度逼近非线性函数,可进行在线和离线学习可进行在线和离线学习,容错性比较强容错性比较强;它不需要复杂的控制结构它不需要复杂的控制结构,也不需要精确的数学模型也不需要精确的数学模型,其简其简单有效的特点适合工业应用。在时滞系统中的应用单有效的特点适合工业应用。在时滞系统中的应用,神经神经网络主要用于辨识和控制。在辨识方面网络主要用于辨识和控制。在辨识方面,用于辩识系统的用于辩识系统的参数和滞后时间参数和滞后时间:在控制方面在控制方面,主要有
11、模型参考自适应控制主要有模型参考自适应控制和预测控制。另外和预测控制。另外,神经网络也和神经网络也和Smith控制结合对时滞系控制结合对时滞系统进行控制统进行控制,该方法也较有效。模糊控制是一种基于专家该方法也较有效。模糊控制是一种基于专家规则的智能控制方法规则的智能控制方法,它无需知道系统精确的数学模型它无需知道系统精确的数学模型,只只需要现场操作人员的经验和操作数据。模糊算法对于时滞需要现场操作人员的经验和操作数据。模糊算法对于时滞系统比较适用系统比较适用,它是处理时滞系统中难以定量化环节和不它是处理时滞系统中难以定量化环节和不确定性的有效手段。确定性的有效手段。 模糊算法在时滞系统中的应
12、用大致有以下几个方面模糊算法在时滞系统中的应用大致有以下几个方面:l)模糊模糊Smith控制控制器控制控制器,它一般是由它一般是由Smith预估器解决对象的时预估器解决对象的时滞问题滞问题,模糊控制器控制对象的大惯性环节模糊控制器控制对象的大惯性环节;2)模糊预估控模糊预估控制方法制方法,它是在模糊控制的基础上它是在模糊控制的基础上,进行并联模糊补偿。模进行并联模糊补偿。模糊预估模型是通过一系列有针对性的推导得到的糊预估模型是通过一系列有针对性的推导得到的,模糊预模糊预估器得到的增量经过补偿器的作用产生一个补偿校正估器得到的增量经过补偿器的作用产生一个补偿校正:3)模糊自整定方法模糊自整定方法
13、,它是对模型的某些参数进行模糊整定它是对模型的某些参数进行模糊整定,以以达到改善系统控制品质。其中较为有名的是达到改善系统控制品质。其中较为有名的是CC.Hang提提出的改进出的改进smith预估模型预估模型,对主反馈通道传递函数中的滤波对主反馈通道传递函数中的滤波时间常数进行模糊整定。该方法具有较强的鲁棒性和较好时间常数进行模糊整定。该方法具有较强的鲁棒性和较好的控制性能的控制性能,但是计算效率不是很高。变结构控制系统对但是计算效率不是很高。变结构控制系统对干扰和系统参数变化具有鲁棒性干扰和系统参数变化具有鲁棒性,这正是鲁棒控制所需要这正是鲁棒控制所需要解决的问题。解决的问题。 变结构控制的
14、这一优点变结构控制的这一优点,己广泛地引起了人们的重视。己广泛地引起了人们的重视。非时滞变结构控制系统的研究己形成较完整的理论体系非时滞变结构控制系统的研究己形成较完整的理论体系,而时滞变结构控制理论是一个具有潜力的研究方向。迄今而时滞变结构控制理论是一个具有潜力的研究方向。迄今为止为止,时滞系统的变结构控制理论的研究仍处于萌芽和兴时滞系统的变结构控制理论的研究仍处于萌芽和兴起阶段起阶段,成果较少成果较少,有待于进一步完善。有待于进一步完善。 工业生产的大规模化使得工业过程变得更为复杂工业生产的大规模化使得工业过程变得更为复杂,大大时滞、不确定性、严重非线性、时变性对工业过程控制系时滞、不确定
15、性、严重非线性、时变性对工业过程控制系统的设计提出了更高的要求。对于时滞系统的控制不是单统的设计提出了更高的要求。对于时滞系统的控制不是单一的方法就可以完全解决的一的方法就可以完全解决的,开发与设计出各种智能控制开发与设计出各种智能控制方法或以不同的形式结合在一起方法或以不同的形式结合在一起,将是解决时滞过程的有将是解决时滞过程的有效途径。效途径。 2.本课题的研究的意义和价值本课题的研究的意义和价值 在工业生产过程中，不同程度地存在着时滞，而具有在工业生产过程中，不同程度地存在着时滞，而具有时滞的过程是较难被控制的。由于纯延迟的存在，使得被时滞的过程是较难被控制的。由于纯延迟的存在，使得被调
16、量不能及时反映出系统己经发生的变化，即使测量信号调量不能及时反映出系统己经发生的变化，即使测量信号到达调节器，调节器立即作出反应，也需要经过纯延迟时到达调节器，调节器立即作出反应，也需要经过纯延迟时间以后，才会影响到被调量，使之受到控制。因此，这样间以后，才会影响到被调量，使之受到控制。因此，这样的过程必然会有较明显的超调量和需要较长的调节时间。的过程必然会有较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，具有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其所以，具有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控程度将随着纯延迟公占整个过程动态的比率的增加而难控程度将随着纯延迟公占整个过程动态的比率的增加而增加。增加。 典型的工业过程的传递函数通常采用一阶惯性环节加典型的工业过程的传递函数通常采用一阶惯性环节加纯延迟作为其数学模型。纯延迟作为其数学模型。PID控制，控制，Smith预估算法，预预估算法，预测控制是在时滞系统整定过程中用的比较多的三种方法。测控制是在时滞系统整定过程中用的比较多的三种方法。PID控制是生命力最强的基本控制方式，具有结构简单，控制是生命力最强的基本控制方式，具有结构简单，原
