过程辨识与PID自整定理论及其在暖通空调系统中的应用研究

【摘要】： 比例—积分—微分(PID)是在工业过程控制中最常见的一种控制算法。由于PID控制算法简单、在实际中容易被理解和实现,因此它被广泛应用于工业过程控制系统中,许多高级控制都是以PID控制为基础的。但PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成,既耗时又耗力,加之实际系统千差万别,又有滞后、非线性等因素,使PID参数的整定有一定的难度,致使许多PID控制器没能整定的很好,这样的系统自然无法工作在令人满意的状态,因此研究自整定PID控制具有重要意义。 随着社会经济的迅猛发展,人们对对生活环境的质量提出越来越高的要求,楼宇建筑物已经由简单的庇护场所发展到舒适、健康、节能的自动化和智能化的绿色建筑。而相应的建筑能耗也在逐年增加,在建筑能耗中,暖通空调系统所耗费的能量占大楼消耗总能量的30%-50%,而且呈逐年增长的趋势。因此在国际能源日益匮乏的情况下,对暖通空调系统控制的研究具有十分重要的现实意义和应用价值。暖通空调系统控制的研究是针对系统内部各个回路的控制器的设计和优化,良好的控制方法既能满足人们对环境舒适度要求又能够达到节约能源的目的。总结全文,论文的主要内容可以概括如下: 1、总结出了HVAC系统中常见的复杂动态系统的继电反馈试验能否成功的判别方法。 基于继电反馈技术的系统辨识和控制器整定的应用越来越广泛,因此继电反馈试验能否成功就显得尤为重要。针对HVAC系统中常见的滞后过程、右半平面有零点的过程和开环不稳定过程等几类复杂动态系统的继电反馈试验做了分析与研究,并总结出了这几类系统继电反馈试验能否成功的判别方法,为基于继电反馈的过程辨识和控制器整定的成功进行奠定了基础。 2、提出了一种面向HVAC工程应用的多变量过程辨识方法。 与单输入单输出(SISO)系统相比,多输入多输出(MIMO)系统的控制要复杂且困难的多。针对HVAC系统中的多变量过程提出了一种面向HVAC工程应用的两输入两输出(TITO)过程的在线闭环辨识方法,该方法通过两个改变设定值的阶跃测试,估计出过程在感兴趣的相位滞后为π处的频率响应,通过在频域中模型匹配辨识出过程的传递函数矩阵。该辨识方法只需要过程的输入输出响应数据,不需要过程动态特性的先验知识,而且该法可以推广到多变量过程(MIMO)中去。典型例子的仿真结果证明了此方法的有效性和实用性。 3、提出了一种积分过程的PID控制器自整定方法。 针对积分过程给出了简单、实用的PID控制器自整定方法,并在HVAC系统的实验设备中进行了成功应用。该方法首先辨识出对象的模型,然后根据模型基于鲁棒性能指标设计PID控制器。该方法的主要思想是采用双回路控制结构和基于鲁棒性能指标的控制器设计方法,从而可以克服传统PID控制器在控制积分过程时存在的结构上的局限性,然后通过简化控制结构得到设定值加权PID控制器参数的整定公式。仿真结果和HVAC系统中的实际应用结果表明了该方法的有效性和实用性。 4、基于PIC18f452开发了一智能在线式手持PID参数整定仪。 利用现有的PID参数整定理论,基于PIC18f452模块,开发了智能在线式手持PID参数整定仪,该整定仪体积小,携带方便,工程师利用它可以节省PID控制器整定时间,提高工作效率。该整定仪在变风量HVAC系统过程控制中进行了应用,并给出了实际运行结果,结果表明该整定仪可以快速地整定出PID参数,并且整定后的PID控制器具有良好的控制效果。目前该产品正准备申请专利。 5、基于Visual C++和JAVA开发平台,开发了基于Internet的PID自整定系统。 工业以太网是一种新兴的基于网络的控制系统,基于TCP/IP协议的工业以太网使得整个网络只有一种通讯协议,可以满足控制系统各个层次的要求,可以便捷地访问远程系统或与Internet连接,从而能够实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接。将PID自整定技术和Internet相结合,开发了具有自主知识产权的基于Internet的PID自整定系统。 最后对全文的主要工作作了总结,并对下一步的研究方向进行了展望。 【关键词】：辨识 PI/PID控制 暖通空调 自整定 继电反馈 鲁棒性能指标 PIC18f452 INTERNET
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要9-13
• ABSTRACT13-17
• 缩略词注释表及符号说明17-19
• 第一章 过程辨识及PID控制器参数整定方法综述19-37
• 1.1 引言19-20
• 1.2 基于继电反馈的过程辨识20-26
• 1.2.1 基于标准继电反馈的过程辨识21-23
• 1.2.2 基于改进型继电反馈的过程辨识23-26
• 1.3 PID控制器参数整定方法26-34
• 1.3.1 自衡过程的PID控制器整定方法27-31
• 1.3.2 积分过程的PID控制器整定方法31-33
• 1.3.3 不稳定过程的PID控制器整定方法33-34
• 1.4 本文主要解决的问题与结构安排34-37
• 1.4.1 本文主要解决的问题34-35
• 1.4.2 本文的结构安排35-37
• 第二章 暖通空调(HVAC)系统控制概述37-49
• 2.1 引言37-38
• 2.2 暖通空调系统控制简介38-44
• 2.2.1 暖通空调系统控制的研究目的38-39
• 2.2.2 暖通空调系统节能控制的实现39-41
• 2.2.3 暖通空调系统控制的主要特点41-42
• 2.2.4 暖通空调系统控制的研究现状42-44
• 2.3 暖通空调系统的结构和控制回路44-48
• 2.3.1 暖通空调系统的结构44-46
• 2.3.2 暖通空调系统的基本控制回路46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 一种过程辨识方法和PID自整定方法及其在暖通空调中的应用49-79
• 3.1 HVAC系统继电测试分析49-56
• 3.1.1 滞后系统49-51
• 3.1.2 右半平面有零点的系统51-52
• 3.1.3 开环不稳定系统52-55
• 3.1.4 结论55-56
• 3.2 一种面向HVAC工程应用的多变量过程辨识方法56-66
• 3.2.1 引言56-57
• 3.2.2 多变量过程辨识方法57-58
• 3.2.3 一种基于阶跃响应的TITO过程辨识方法58-66
• 3.2.4 结论66
• 3.3 一种积分过程的PID整定方法及其在HVAC系统中的应用66-76
• 3.3.1 引言66
• 3.3.2 传统PID控制器存在结构上的局限性66-68
• 3.3.3 一种积分过程的PID整定方法68-74
• 3.3.4 整定方法在HVAC系统中的应用74-76
• 3.3.5 结论76
• 3.4 本章小结76-79
• 第四章 基于PIC18f452的智能手持PID参数整定仪79-91
• 4.1 引言79
• 4.2 智能手持 PID参数整定仪硬件结构79-80
• 4.3 PID参数整定仪所用的PID整定算法80-83
• 4.3.1 基于改进型继电反馈的自整定PID算法80-82
• 4.3.2 PI/PID参数的整定82-83
• 4.4 PID参数整定仪的软件设计83-87
• 4.4.1 开发环境83-84
• 4.4.2 任务划分84
• 4.4.3 PID自整定算法的实现84-87
• 4.5 整定仪在变风量暖通空调系统中的应用87-89
• 4.5.1 变风量暖通空调系统系统结构及工作原理87-88
• 4.5.2 整定仪在主管道的送风压力控制回路中的应用88-89
• 4.6 本章小结89-91
• 第五章 基于INTERNET的PID自整定系统91-103
• 5.1 工业以太网91-95
• 5.1.1 网络控制系统的产生和发展91-93
• 5.1.2 工业以太网网络控制系统93-95
• 5.2 工业以太网控制系统的体系结构95-96
• 5.3 PID参数自整定系统96-100
• 5.3.1 自整定系统的硬件结构96-98
• 5.3.2 自整定系统应用的算法98-100
• 5.4 上位机GUI程序设计100-102
• 5.5 本章小结102-103
• 第六章 结束语103-107
• 6.1 全文总结103-104
• 6.2 下一步工作104-107
• 参考文献107-115
• 致谢115-117
• 攻读博士学位期间完成的论文及参加的科研工作117-118
• 学位论文评阅及答辩情况表118-119
• 附录一119-131
• 附录二131-143

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