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优化PID控制器研究及其在热工对象控制中的应用

张立群  
【摘要】:PID控制器结构简单、鲁棒性好,在实际热工过程控制中广泛采用PID控制器。过去的四十年里,出现了大量的PID控制器的设计方法,但是以往的设计方法都是基于简化后的一阶加纯延时模型提出的。基于一阶加纯延迟对象的整定公式不一定适合热工过程中的高阶对象,因此获得的控制效果常常不理想。从某种意义上,设计控制效果优良的PID控制器的难点就是准确地获得PID控制器参数的稳定域。本文利用广义Hermite-Biehler定理,提出在PID控制器参数稳定域内设计高阶对象的最优PID控制器,与此同时利用Kharitonov定理、Monte-Carlo随机实验方法和H∞混合灵敏度约束研究PID控制器的鲁棒稳定性和性能鲁棒性。 首先,根据广义Hermite-Biehler定理分析了高阶对象的PID控制器参数稳定域的计算方法以及编写出通用算法程序。利用遗传寻优算法,在PID控制器参数的稳定域约束下,设计ITAE指标最优的PID控制器。同时利用Kharitonov定理讨论了该区间对象最优PID控制器的鲁棒稳定性。假设对象参数在区间范围内摄动,利用Monte-Carlo随机实验方法分析了系统过渡过程的性能鲁棒性。然后,基于上述最优PID控制器的设计方法,将其应用于过程控制中普遍存在的对象:高阶对象、非最小相位对象、不稳定对象和大延迟、大滞后对象。针对各类对象,分别讨论了基于稳定域最优PID控制器的设计及进一步改进,并进行了大量仿真实验。接着,将该方法分别应用于典型热工控制系统:锅炉再热蒸汽温度控制系统、循环流化床锅炉床压控制系统、锅炉过热蒸汽串级控制系统和电厂主汽压力串级控制系统。最后,本文探讨了基于H∞混合灵敏度约束下的最优PID控制器的设计方法,研究了满足H∞混合灵敏度约束条件的PID控制器参数域的计算方法,并设计出H∞混合灵敏度范数指标最优下的PID控制器。研究结果表明,基于稳定域最优PID控制器的设计具有良好的控制品质和鲁棒性。


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