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《西北师范大学》 2016年
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基于系统辨识的PID参数自整定方法研究

魏倩茹  
【摘要】:工业过程领域中的被控对象,例如发电厂中的温度、压力、流量,食品加工、污水处理中的液位等,具有非线性、时变、滞后、强耦合等复杂特性,用传统的PID工程实验法控制往往不能很好的适应复杂多变的系统要求。为了提高控制器的自动化程度及其控制精度,越来越多的PID控制器引入了自整定控制,而工业领域中的被控对象很难得到较为精准的数学模型。因此,本文将系统辨识与PID参数整定结合起来,提出了实时在线辨识的自适应控制策略。本文首先介绍了系统辨识的相关内容,分析了最小二乘法及其衍生算法,采用夏氏递推最小二乘法进行辨识,在此基础上引入了可调整的遗忘因子,在MATLAB环境下获得了较好的仿真效果,并在辨识出的系统模型的基础上进行PID参数自整定,分析、仿真了多种控制算法,并讨论了各种算法的差异,采用数字PID校正法,可达到在线自整定的控制要求,实现对系统的更好控制。本文设计了基于水箱液位平台的模拟辨识实验,包括下位机系统和上位机控制程序。下位机系统采用S7-200小型PLC系统进行信息采集、处理及PID控制,上位机采用组态王软件开发了监控调试界面,MATLAB编写辨识整定程序,OPC通讯实现了组态王监控调试界面与辨识整定程序之间的数据传输。仿真结果和实验结果表明,本文所改进的夏氏递推最小二乘法进行辨识所获得的模型参数精度较高,控制效果较好,超调低,响应快,并且对时变系统有较好的自适应性。
【关键词】:系统辨识 夏氏递推最小二乘法 PID参数自整定 水箱液位系统 水箱模型辨识
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:N945.14
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-8
  • 第1章 绪论8-13
  • 1.1 本课题研究的背景8-9
  • 1.2 国内外研究现状9-11
  • 1.2.1 系统辨识的研究现状9-10
  • 1.2.2 PID参数自整定的研究现状10-11
  • 1.3 本论文的主要工作11-13
  • 第2章 系统辨识方法的研究13-29
  • 2.1 系统辨识简介13-15
  • 2.1.1 模型构建的方法13
  • 2.1.2 参数模型13
  • 2.1.3 系统辨识的分类13-14
  • 2.1.4 系统辨识的主要步骤14-15
  • 2.2 最小二乘法及其改进算法15-22
  • 2.2.1 最小二乘参数估计法及其递推算法15-20
  • 2.2.2 广义最小二乘法20-22
  • 2.3 对夏氏递推最小二乘法的改进22-28
  • 2.3.1 夏氏递推最小二乘法22-23
  • 2.3.2 遗忘因子的加入23-24
  • 2.3.3 仿真验证24-28
  • 2.4 本章小结28-29
  • 第3章 PID控制29-39
  • 3.1 数字PID控制方法研究29-32
  • 3.1.1 PID控制简介29-30
  • 3.1.2 PID控制器的控制参数30
  • 3.1.3 PID控制器的类型30
  • 3.1.4 数字增量式PID控制器30-32
  • 3.2 PID参数的调整32-36
  • 3.2.1 幅相裕度法32-34
  • 3.2.2 串联校正法34-35
  • 3.2.3 数字PID校正法35-36
  • 3.3 PID参数的自整定的仿真36-38
  • 3.4 本章小结38-39
  • 第4章 水箱模型辨识实验验证39-62
  • 4.1 实验平台简介39-43
  • 4.1.1 水箱模型辨识实验设备39-42
  • 4.1.2 水箱模型辨识实验控制系统结构42-43
  • 4.2 液位控制系统数学模型分析43-45
  • 4.2.1 单容水箱模型分析43-44
  • 4.2.2 双容水箱模型分析44-45
  • 4.3 水箱辨识实验的设计45-57
  • 4.3.1 辨识系统实验设计45-47
  • 4.3.2 PLC控制程序设计47-50
  • 4.3.3 组态王监控界面设计50-53
  • 4.3.4 MATLAB辨识整定程序53-55
  • 4.3.5 OPC通信55-57
  • 4.3.6 MATLAB程序的打包57
  • 4.4 水箱辨识实验57-60
  • 4.4.1 单容水箱辨识实验58-59
  • 4.4.2 双容水箱辨识实验59-60
  • 4.5 本章小结60-62
  • 第5章 总结与展望62-63
  • 参考文献63-66
  • 攻读学位期间的研究成果66-67
  • 致谢67

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