常规控制系统的计算机优化和仿真比较.docx
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常规控制系统的计算机优化和仿真比较
分类号
郑州电力高等专科学校
毕业设计（论文）
题 目常规控制系统的计算机优化和仿真比较
并列英文题目
系部 动力工程系 专业生产过程自动化技术
姓 名 班级 热自0801
指导教师 职称
论文报告提交日期 2011-6-
郑州电力高等专科学校
摘要：
本次设计结合我们所学的热工自动控制系统和控制原理，主要是对三个常规控制系统（单回路控制系统、串级控制系统、导前微分控制系统），运用VisualBasic语言进行编程进行整定，并根据已给出的五个优化整定准则，从控制系统的三个方面四个指标着手，对内扰、外扰和给定值扰动下的控制系统进行优化，从而得出相应指标下的最优值。
利用VisualBasic绘图软件绘出图形进行比较。
结合整定过程对三个常规控制系统的特点进行综合分析比较，从而总结出单回路控制系统、串级控制系统、导前微分控制系统各自的优缺点。
关键词：
常规控制系统优化优化准则比较
Abstract：
KeyWords:
controlsystem
目录
第一章前言……………………………………………………….
第二章常规控制系统优化的相关概念………………………
第一节优化……………………………………………………
第二节Z变换…………………………………………………
第三节四个积分误差准则和Ts指标准则……………………
第三章单回路控制系统优化整定分析………………………
第一节单回路控制系统的组成原理方框图…………………
第二节单回路控制系统加扰动的优化整定与比较…………
第四章串级控制系统优化整定分析………………………….
第一节串级控制系统的组成原理方框图……………………
第二节串级控制系统的整定思路……………………………
第三节串级控制系统加扰动的优化整定与比较……………
第五章导前微分控制系统优化整定分析……………………
第一节导前微分控制系统的组成原理方框图………………
第二节导前微分控制系统的整定思路………………………
第三节导前微分控制系统加扰动的优化整定与比较………
第六章三个控制系统在Ts指标下的整定比较分析…….
第一节控制系统在给定值扰动下的比较分析………………
第二节控制系统在内扰扰动下的比较分析…………………
第三节控制系统在外扰扰动下的比较分析…………………
第四节比较结论………………………………………………
第七章结束语
附录
参考文献
第一章前言
本次设计，我们主要是针对常规控制系统中最常见的三个控制系统：
单回路控制系统、串级控制系统和导前微分控制系统优化和整定，并在初步整定结果的基础上加上给定值扰动、内扰或者是外扰，用五个整定准则再次进行整定，根据整定的结果进行综合评价与分析。
整个优化整定过程是在VisualBasic的环境下进行的，系统是在我们编好的程序下自动整定的，这也体现了我们自动控制的意义。
本论文共有七个章节，第一章节是前言，是对我们的这次设计所做的总述；第二章节是常规控制系统优化的相关概念，大体上简单介绍了整定过程中用到的知识、准则等；第三、四、五章节分别是单回路控制系统、串级控制系统和导前微分控制系统优化整定分析，是用五个准则优化整定好后，运用VisualBasic绘图程序显示出数据、结果和图形，根据显示的数据图形绘出表格，进行比较与分析；第六章是对三个控制系统在Ts指标下的综合比较与分析，并评价其优缺点；第七章节是结束语，是做本次毕业设计的总结以及设计心得。
本次设计论文由芮玉杰老师精心指导，
第二章常规控制系统优化的相关概念
本章节是常规控制系统优化的相关概念，大体上简单介绍了整定过程中用到的知识、概念和准则等，以供下文参考。
第一节优化
Ⅰ、优化概念
控制系统参数整定的本质是系统优化，所以优化也是指调节器的参数整定，使调节器的参数和对象的动态特性（动态特性就是对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间变化的规律。
）达到最佳匹配，从而得到理想的调节品质（过渡过程时间ts、稳态偏差ess、衰减率Ψ、超调量Dp）。
Ⅱ、优化的理论方法
本次设计中运用了很多次优化，优化的理论方法有：
1瞎子爬山法
20.618法，又叫黄金分割法（一维优化），非常适用于单峰曲线
的控制系统，对于多峰的不适用。
3分段优化（二维或二维以上优化），通俗的讲也就是区间寻优，
分级优化，第一级的区间分成N段，计算点就是N+1个，N要足够大，计算后观察数据进行比较就可以得到最值，最值的两边即为第二级区间，然后再进行第二级优化，或三级等等。
Ⅲ、优化的初级实践
在刚开始的毕业设计中，我们所做的初级优化实践是解代数方程和求代数方程的最值。
①解代数方程：
x^5-4*x^2+3*x+100=0
经分析方程的解值应该在-3～-2区间之内，但是区间应大些，这里取-5～5为区间，采用分段优化的方法进行优化。
所编程序摘要如下图示：
但是这样并没有得到最终的x值使F=0，然后根据显示的数据结果，将相邻的两个正负数值作为第二级区间再做如上工作，直到F=0时显示i即为所求x值。
最后结果为x=-2.34534
②求x^100-5*x^40+6*x^21-10*x+100的最小值
仍然采用分级优化的方法进行优化，所编程序现摘要如下图示：
运行后所得结果为F=91.5719036606233，X=0.889298000004735③求Z=x^50+y^60+10*x^4+8*y^6-6*x^3-7*y^3+1000
采用分级优化的方法进行优化，所编程序现摘要如下图示：
这个程序充分的体现了分级优化区间寻优的优越之处，运行后所得结果如下图示：
Ⅳ、编程中遇到的问题及其解决方案
①计算步长的定义：
步长小则精度高，但工作量比较大；步长大则精度低，但工作量比较小。
步长的选择应合适，同时区间的起点和终点也应合适。
②下标超限：
下标超限一般与定义的步长精度和定义的数组范围两个方面有关系，如果遇到下标超限时，可通过增大定义的数组范围或者降低定义的步长精度来解决。
③结果显示不出来或显示的不正确：
如果遇到类似的问题，则应查找程序中的显示程序，查看程序中的计算结果是否下传成功，下传的计算数据结果是否一致，查找程序的过程中要认真仔细加耐心，很小的标点符号不正确也会导致显示错误。
第二节Z变换
在连续系统的性能分析中，描述系统运动规律的基本数学模型是微分方程，可用拉普拉斯变换来求解线性微分方程。
而在离散系统的分析中，常以差分方程作为数学模型，用Z变换作为其求解工具。
Ⅰ、Z变换的定义
对连续函数f（t）求拉普拉斯变换，对离散函数f﹡（t）求拉普拉斯变换，引入新变量z=eTs,得到F（z）,所以就把F（z）叫做离散信号f﹡（t）的z变换。
F（z）只表示了连续信号f（t）在采样时刻的信息。
由于习惯的原因，人们有时也称F（z）是f（t）或f（s）的z变换，其含义是指离散信号f﹡（t）的z变换。
Ⅱ、差分方程
离散函数两数之差为差分，含有函数的差分的方程称为差分方程。
将微分方程化为差分方程，称为离散化。
本次设计要研究的为离散型控制，所以三个控制系统均需要加上保持器，然后将控制系统的传递函数微分化后转化成差分方程，为简化程序，方便编程，将差分方程的系数进行如下定义：
图2-2-1
第三节四个积分误差准则和Ts指标准则
准则1：
准则2：
准则3：
:
准则4：
Ts指标：
Ts是指系统响应从零开始，达到并保持在稳态值的±5%误差范围内，即响应进入并保持在±5%误差带之内所需要的时间。
第三章单回路控制系统优化整定分析
复杂些的控制系统是在单回路控制系统的基础上发展起来的，单回路控制系统是过程控制系统的基础。
所以经过以上的学习准备工作之后我们首先对单回路控制系统进行优化整定。
第一节单回路控制系统的组成原理方框图
图3-1
根据原理方框图可知，单回路控制系统只有一个调节器，一个测量变送器，和一个执行器连同被控对象组成的闭环负反馈的控制系统。
第二节单回路控制系统加扰动的优化整定与比较
单回路控制系统加给定值扰动，运用四个积分误差准则和Ts准则优化整定程序核心摘要如下（差分方程的系数简化定义如图2-2-1所示）：
⑴、核心程序：
准则1整定的程序如下：
准则2、3、4整定程序基本同上，只需要将式中的ne1替换成相应的表达式，同时还需改变相应的保存文件即可，而Ts指标整定程序核心摘要如下：
⑵、绘制比较数据表格
根据程序运行后显示的结果现绘制出如下表格：
指标
准则
超调量
Dp
稳态偏差
Ew
过渡过程时间Ts
衰减率
Ψ
准则1
0.219887
2.348E^-05
119
0.12834
准则2
0.133710
2.551E^-05
86
0.07973
准则3
0.115579
1.585E^-05
67
0.07887
准则4
9.095E^-02
2.348E^-05
59
0.05185
Ts指标
4.932E^-02
4.673E^-05
38
0.01064
⑶、显示曲线
显示曲线的核心程序摘要如下：
图3-2-1
显示曲线如下：
⑷、比较与分析：
第四章串级控制系统优化整定分析
随着工业技术的不断更新，生产不断强化，生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，单回路控制系统便无能为力，因而产生了许多新的控制系统，本章介绍其中的一种：
串级控制系统。
第一节串级控制系统的组成原理方框图
图4-1-1
根据原理方框图可知，串级控制系统就是有两只调节器串联起来工作，其中一个调节器（主调节器）的输出作为另一个调节器（副调节器）的给定值，副调节器的输出信号作为主被控对象输入的系统。
该系统包括两个回路：
内回路（副回路）和外回路（主回路），内回路的作用是将外部扰动的影响在内回路进行处理，而尽可能不使扰动波动到外回路，这就加快了系统的快速型并提高了系统的品质。
第二节串级控制系统的整定思路
串级控制系统的整定思路是先内（内回路）后外（外回路），内快外慢。
由于串级控制系统由两个调节器串联工作，本设计中主调节器用PID调节器，副调节器用PI调节器，因此整定时要对Kp1、Ti1、Td1、Kp2、Ti2五个参数进行整定，也就是进行五维优化。
整定时要先整定内回路，将内回路副调节器的Kp2、Ti2整定优化好后固定不变，再整定外回路；内快外慢就是使先优化整定的内回路的衰减率小于0.5，而整定的外回路的衰减率在0.75附近（内回路振荡的快些，外回路就相对比较稳定）。
第三节串级控制系统加扰动的优化整定与比较
串级控制系统加扰动的优化整定同样只以加给定值扰动为例加以说明。
Ⅰ、内回路的优化整定
内回路如上原理方框图示，调节器为PI调节器，且将惰性区拿掉。
内回路的整定需要达到衰减率小于0.5（我们以衰减率Ψ=0.2时为最优值），由于整定准则和Ts指标都不能达到这点，需要进行手动优化。
优化后的Kp4=0.59Ti4=10
Ⅱ、外回路的优化整定
将内回路优化好的Kp4=0.59Ti4=10固定不变加到外回路上，然后再加上副调节器的两个差分方程即可组成串级控制系统的差分方程组。
⑴、核心程序
以准则1为整定准则的核心程序如下图：
准则2、3、4整定程序基本同上，只需要将式中的ne1替换成相应的表达式，同时改变相应的保存文件即可，Ts指标的编程同理。
⑵、绘制比较数据表格
根据程序运行后显示的结果现绘制出如下表格：
指标
准则
超调量
Dp
稳态偏差
Ew
过渡过程时间Ts
衰减率
Ψ
准则1
0.20719
4.7684E^-06
38
准则2
0.17173
-4.471E^-06
36
准则3
0.18781
0
29
准则4
0.13571
-2.026E^-06
35
Ts指标
0.20779
0
29
⑶、显示曲线
显示程序如上图3-2-1所示
⑷、比较与分析
第五章导前微分控制系统优化整定分析
微分作用能反映输出量的变化趋势，因而能提前反映输出量的变化，若能把这种作用用于控制系统，势必也能改善控制系统的性能。
在此思路趋势引导下导前微分控制系统应运而生。
第一节导前微分控制系统的组成原理方框图
Y5
Y1
内扰
图5-1-1
此原理方框图可等效为图5-2
Y5
图5-1-2
根据原理方框图可知，导前微分系统只用了一个调节器，但调节器的输入取了两个信号，一个是直接进入调节器的主信号，另一个是经微分器微分后送入调节器的信号。
微分作用能反映输出量的变化趋势，能提前反映输出量的变化，系统加上微分器后，在时间和相位上，后一个信号超前于主信号，所以称为导前微分。
第二节导前微分控制系统的整定思路
本次设计中，导前微分控制系统的微分器传递函数为D（s）=KdTds/（Tds+1）,调节器用PI规律。
则需要整定的参数有四个：
微分器的Kd、Td以及调节器的Kp、Ti。
运用等效对象的方法整定导前微分控制系统。
等效对象的组成如上图5-2所示，微分器D（s）=KdTds/（Tds+1），调整Kd、Td组成等效对象，然后按单回路控制系统整定调节器和等效对象组成的主回路。
优化Kd、Td找到理想的Kd、Td，使理想的等效对象的输出信号Y1*0.9与实际的等效对象的输出信号Y5组成的面积（Y1*0.9-Y5）最小。
寻到最优的Kd、Td后固定不变，加到如图5-2所示的主回路，再运用积分误差准则和Ts指标优化主调节器的Kp、Ti。
第三节导前微分控制系统加扰动的优化整定与比较
导前微分控制系统加扰动的优化整定同样只以加给定值扰动为例加以说明。
Ⅰ、等效对象Kd、Td的优化整定
对等效对象Kd、Td的优化整定是以理想的等效对象的输出信号Y1*0.9与实际的等效对象的输出信号Y5组成的面积（Y1*0.9-Y5）最小为整定指标。
分析后可列出差分方程如下图示：
仍然是利用分级优化的整定方法分级整定寻找最优的Kd、Td，最后所得结果为Kd=1.24Td=240，曲线如下图示：
Ⅱ、等效后主回路的优化整定
根据导前微分等效对象整定出的Kd、Td最优值，固定该值不变，加到等效后的主回路中，再根据单回路控制系统的整定方法进行整定，其核心程序与单回路控制系统的程序大致相同，仅需要将程序中的差分方程变换为导前微分控制系统各阶段的差分方程，并做相应改动即可。
⑴、核心程序
准则2、3、4整定程序基本同上，只需要将式中的ne1替换成相应的表达式，同时改变相应的保存文件即可，Ts指标的编程同理。
⑵、绘制比较数据表格
指标
准则
超调量
Dp
稳态偏差
Ew
过渡过程时间Ts
衰减率
Ψ
准则1
0.20719
4.7684E^-06
38
准则2
0.17173
-4.471E^-06
36
准则3
0.18781
0
29
准则4
0.13571
-2.026E^-06
35
Ts指标
0.20779
0
29
⑶、显示曲线
⑷、比较与分析
第六章三个控制系统在Ts指标下的整定比较分析
在做完上述的编程练习后，我们做了最后一个编程，也是对以上编程整定的总结。
第一节控制系统在给定值扰动下的比较分析
控制系统无论是加内扰还是外扰都是在给定值扰动优化好的基础上进行优化整定的，因此首先应进行给定值扰动的比较。
⑴、核心程序
核心程序与上述控制系统的核心程序大致相同，就是将以上三个控制系统在Ts指标下的编程总结在一个程序上，且将曲线显示程序做如下图修改：
⑵、绘制比较数据表格
指标
系统
超调量
Dp
稳态偏差
Ew
过渡过程时间Ts
单回路
4.9325E^-06
4.649E^-05
38
串级
0.20779
8.344E^-07
29
导前微分
8.0755E^-06
-9.596E^-06
9
⑶、显示曲线
蓝色为单回路控制系统，青色为串级控制系统，浅蓝色为导前微分控制系统。
⑷、比较与分析
根据显示的比较曲线可知，在给定值扰动下，串级控制系统可以最迅速的了解控制量对被控对象的作用效果，导前微分控制系统原理上应次于串级控制系统，也能比较及时的了解控制量对被控对象的作用效果，但在上图中未能显示出来，在等效对象的输出信号Y5可显示出该特点。
单回路控制系统不能及时的了解控制量对被控对象的作用效果，系统反应较慢。
单回路控制系统不能及时了解控制量对被控对象的作用效果。
在比较三个控制系统的性能指标中可以看出单回路的过渡过程时间最长，稳态偏差最大，这是因为被控对象的迟延大、惯性大，当给定值发生变化时，被控对象要经过纯滞后时间τ和一个调节周期后才受到影响，单回路控制系统不能及时的了解控制量对被控对象的作用效果。
而且单回路控制系统的动态偏差很大，控制品质下降。
串级系统在给定值扰动下要优于单回路控制系统。
串级控制系统就是有两只调节器串联起来工作，由内回路和外回路组成，内回路的作用是将扰动的影响在内回路进行处理，而尽可能不使扰动波动到外回路，这就加快了系统的快速型并提高了系统的品质。
导前微分系统在给定值扰动下,真实被控量的过渡过程是很稳定的，因为导前微分的调节器接受了主信号和经微分器的微分信号两个信号，改善了系统的控制性能。
第二节控制系统在内扰扰动下的比较分析
⑴、核心程序
将各系统在内扰作用下的差分方程摘要如下：
⑵、绘制比较数据表格
⑶、显示曲线
蓝色为单回路控制系统，青色为串级控制系统，浅蓝色为导前微分控制系统。
⑷、比较与分析
从比较显示曲线可知串级控制系统克服内扰的能力最强，导前微分控制系统有较强的克服内扰的能力，而单回路控制系统不能及时的克服系统内部扰动。
串级系统具有很强的克服内扰的能力，而且明显优越于单回路和导前微分控制系统。
因为串级系统引入了副回路，副回路在选取时应把系统的主要干扰都包括在内，而且要把尽量多的干扰包括进去，这样就充分改善系统动态特性，保证主参数的稳定，提高系统的抗干扰能力。
副回路的引入也使图4-1-1中X2与Y2之间的等效时间常数减小，总的惯性时间减小了，这样就改善了被控对象的动态特性，提高了系统的工作频率。
系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点就越显著。
导前微分控制系统也有较强的克服内扰的能力，因为导前微分控制系统可以等效为主副调节器均为PI控制规律的串级控制系统。
导前微分控制系统将Y2的微分信号输入主调节器，微分器能及时反应Y2的变化趋势，，从而使调节器对内扰进行更迅速的反应，而且导前微分信号的引入缩短了迟延时间，减小系统的动态偏差，等效的改善了内扰时被控对象的动态特性和控制品质。
单回路系统不能及时克服系统的内部扰动。
从响应曲线和表格上看，在单回路控制系统发生内扰时，偏差曲线的最大值要远远大与串级控制和导前微分控制，消除扰动的时间还很长。
这是因为在系统发生内扰时，扰动需经过大的延迟和惯性然后作用在被控量上，从而引起被控量的变化，然后被控量与给定值产生偏差，此偏差信号输入到调节器中，调节器感受到偏差然后动作，调节的效果又需要经过大的延迟和惯性然后被调节器感知，反复调节，直至消除偏差，同时还由于控制通道存在迟延，在整个过渡过程中控制对象不能及时影响被控量，从而使系统的动态偏差加大，控制过程加长。
所以单回路控制系统不能及时克服系统的内部扰动。
第三节控制系统在外扰扰动下的比较分析
⑴、核心程序
将各系统在内扰作用下的差分方程摘要如下：
⑵、绘制比较数据表格
⑶、显示曲线
⑷、比较与分析
第七章结束语
随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。
经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高，毕业设计是专业教学中的一个必不可少的教学环节，是对学校应届毕业生在毕业前接受的一次综合性实践训练，是对学生所学知识进行整理和系统的必要环节。
它是学生接受设计任务，在教师指导下独立进行工程实践，获得基本训练并取得成果的过程，它是评估毕业生学业成绩的一个重要方式，也是提高学生综合素质与创新能力的关键一环。
论文的写作是一个长期的过程，需要不断的进行精心的修改，不断地去研究各方面的文献，认真总结。
历经了这么久的努力，终于完成了毕业论文。
在这次毕业论文的写作的过程中，我拥有了无数难忘的感动和收获。
通过这次毕业设计，我更加明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
写作前，我们要寻找有关的资料和课题并且研究设计方案，进行设计的总体规划，理清课程设计思路，但是将这些具体的方案落实到每一个设计环节和步骤中，难免会出现一些错误，这就需要在进行设计的过程中利用所掌握的知识认真排查错误原因，多方面的思考问题，不断地改正自己的设计不足之处和错误。
写作毕业论文是我们每个大学生必须经历的一段过程，也是我们毕业前的一段宝贵的回忆。
当我们看到自己的努力有收获的时候，总是会有那么一点点自豪和激动。
任何事情都是这样子，需要我们脚踏实地的去做，一步一个脚印的完成，认真严谨，有了好的态度才能做好一件事情，一开始都觉得毕业论文是一个很困难的任务，大家都难免会有一点畏惧之情，但是经过长时间的努力和积累，经过不断地查找资料后总结，我们都很好的按老师的要求完成了毕业论文的写作，这种收获的喜悦相信每个人都能够体会到。
这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，相信对我未来的学习和工作有很大的帮助。
在这次毕业论文中同学之间互相帮助，共同商量相关专业问题,这种交流对于即将面临毕业的我们来说是一次很有意义的经历,大学四年都一起走过了,在最后我们可以聚在一起讨论学习,研究专业问题,进而更好的了解我们每个人的兴趣之所在,明确我们的人生理想,进而在今后的生活和工作中更好的发挥自己的优势,学好自己的专业,成为一个对于社会有用的人.
在此更要感谢我的专业老师芮玉杰老师，是你的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。
老师总是默默的付出,告诉我们应该怎么样修改论文,怎么样按要求完成论文相关的工作。
老师的检查总是很仔细的，可以认真的看论文的每一个细小的格式要求，认真的读每一个同学的论文，然后提出最中肯的意见，这是很难得的。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
总之，这次毕业设计让我学习到很多。
虽然结束了，但这只能是一个开始。
我们只有对自己有了更高的要求，才能作为动力不断取得新的成绩！
参考文献
《热工自动控制系统》（东北电力学院）张玉铎、王满稼
《自动控制理论》（上、下）华中工学院菜尚峰
《VB参考手册》
《VB6自学通》
《现代火力发电厂热工控制技术》
《自动控制原理及其应用》黄坚
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