网络化串级控制系统的建模、分析与控制

网络化串级控制系统的建模、分析与控制串级控制系统中,控制回路是通过实时网络闭合的,称之为网络化串级控制系统。网络化串级控制系统在实际工业过程控制中广泛存在,但由于系统结构的复杂性和网络性质的多样性,使得传统的串级控制理论和网络控制理论都无能为力,因而系统深入地研究网络化串级控制系统的分析与综合问题具有极其重要的理论价值和现实意义。本文基于工业过程控制实际,提出了网络化串级控制系统的概念,并将其归纳为四种典型结构,解决了其系统建模、稳定性分析、控制器设计、性能评估与优化、实验平台的设计与实现等问题,建立了一套完整、系统的关于网络化串级控制系统建模、分析与控制的理论体系。主要内容如下：首先,提出了网络化串级控制系统的四种典型结构形式,并采用提出的节点设备连接阵和网络传输阵以及系统配置图、方框图等三种方法,分别描述了这些不同结构的网络化串级控制系统。指出了网络化串级控制系统中存在的基本问题,如网络诱导时延、数据包丢失、时钟同步和量化误差等。其次,针对一类有不同性质网络诱导时延的网络化审级控制系统，在控制器分别都采用位置式PID和增量式PID的情况下，在离散时间域采用增广状态向量法建立了闭环系统的状态空间模型。针对通用结构形式的网络化串级控制系统,同时考虑网络诱导时延和丢包,提出了广义对象和广义控制器的概念,在离散时间域以状态空间表达式形式建立了统一的系统闭环模型。再次,针对两类有常数网络诱导时延的网络化串级控制系统，基于过程模型和期望闭环系统响应，采用一阶Pade近似纯迟延环节，以解析的形式提出了主控制器和副控制器PID整定参数的表达式。基于Lyapunov稳定性理论和LMI方法，针对一类有不确定网络诱导时延的网络化审级控制系统，在系统无扰动和有扰动时，分别设计了鲁棒H-状态反馈和输出反馈控制律。基于,综合理论，针对两类有不确定网络诱导时延的网络化用级控制系统，将不确定时延建模为乘性摄动，建立了以综合控制框架，在副控制器为已整定好的传统PID时采用D-K迭代方法分别设计了以综合主控制器。然后,以控制回路中无网络时网络化串级控制系统的稳态和动态性能指标为基准,以加权和形式提出了网络化串级控制系统的一个综合控制性能指标。主控制器采用模糊自整定PID控制器，副控制器仍采用传统的PID控制器，对两类网络化串级控制系统的性能进行了评估与优化。最后,设计并实现了一套基于基金会现场总线(FF)的网络化串级控制系统实验平台。设计了模糊PI在线自动优化程序,基于模糊自整定推理规则在线自动调整主控制器的PI参数,实现了储水罐水温的网络化串级控制系统。调试结果表明模糊自整定PID控制方法在网络化审级控制系统中实现的可行性和有效性。