绪论
1.1课题研究的背景和意义
四容水箱是北方工业大学网络自动化实验室开发的一种网络化多变量非线性过程控制装置。该装置具有非线性、多变量、时滞、相位可调等动态特性，司一以对复杂工业控制系统的控制进行模拟和优化。该装置还有过程故障模拟功能，为系统故障诊断和容错控制提供实验研究平台和算法验证平台。目前该装置的硬件结构都己设计安装完成，但还没有一套自己的完善的控制算法和相应的控制软件。为了能完整地实现整套四容水箱控制系统的开发，更方便地在装置上进行各类控制实验，必须进一步对其软件体系进行完善。
另一方面，在工业控制领域，随着要控制的对象越来越复杂和控制设计目标越来越高，传统的控制方法已经不能胜任现代控制的需要。在此过程中，产生了一系列的先进控制方法，并逐渐成为大家研究的热点。近年来，预测控制、人工神经网络、混杂控制等先进控制方法越来越成为人们关注的焦点。
在实际工业过程中，存在着一大类复杂系统，我们无法预先知道其过程对一象的模型信息，或者很难用简单的模型来将其描述。近些年来，人们逐渐开始研究一种基于数据驱动的控制方法，即我们在并不获知受控系统模型信息的前提下，直接根据受控系统的在线和离线输入输出数据以及处理获得的系统知识，来设计控制器。
实际的控制经验表明，分段仿射(PieceWiseAffine, PWA)系统在工业控制中可以表示一大类系统，因为大多数工业过程在某局部1_作点附近的动态特性可以表示成为一个稳定的仿射系统。另一方一面，对于系统施加激励信号，采集系统响应数据，在系统全工况运行数据基础上，结合系统模型的一些先验信息(包括输入输出变量选择，模型阶次等)进行辨识是一种主要基于数据驱动方法获得系统等价解析模型的有效手段。由于PWA模型的重要代表作用，许多学者都对于PWA模型的辨识问题以及基于P WA模型的控制问题进行了积极的研究，最具代表性的有Ferrari-Trecate等人基于聚类的辨识算法研究，还有国内李少远教授的模糊聚类辨识方法和混杂系统预测控制研究等。基于以往的相关研究，本文重点针对四容水箱对象设计实现了基于数据驱动的分段仿射模型的辨识及预测控制。
在控制软件方面，通常采用先进算法的控制软件设计方法可一以分为两种方式:一种是不借助Matlab等算法平台的软们一独立开发模式;另一种是基于Matlab及相关工具箱等算法核心的软件开发模式。目前多采用第爪种相对比较高效的开发模式。大家熟知的MATLAB是公认最为优秀的数学应川软件，’已不仅有一个界面友好操作简便的用户环境，更重要的是他强大的数值分析、矩阵运算和信号处理、图形显示的能力。并月.其丰富的工具箱为工业控制领域的科研和仿真研究提供了有力的工具。但目前为止MATLAB在控制领域的应用中，我们主要利川了其强大的仿真能力，针对实际过程的在线控制应用较少，并且利用其开发界面及面向对象的高层次软件实现能力较差，软件架构能力弱。由于C#是一个现代的面向对象编程语言，其结合了VB的界面开发方便高效和C++的功能强大自主的特点，我们在针对抖制领域的软件设计上就采用了MATLAB和C#混合编程的路线。这样即可分别集中精力在Matlab的控制算法设计和C#.NET的界面及软件架构设计上，充分利用了各自的特长，软件开发更高效，也利于调试和仿真对比。于是我们可以将基于四容水箱先进控制的各种方法通过C#和Matlab混合编程的方式实现控制界面以及算法的程序设计。基于以卜原因，利用Matlab和C#.NET混合编程的方式来开发工业控制软件已经成为了一种高效实用的软件开发模式。
3.2 四容水箱的预测控制.......... 19-22
3.2.1 MIMO预测控制.......... 19-20
3.2.2 四容水箱预测.......... 20-22
3.3 本章小结.......... 22-23
4 分段仿射模型辨识及控制.......... 23-46
4.1 MIMO-PWARX模型辨识.......... 24-30
4.1.1 多输入多输出分段.......... 24-25
4.1.2 MIMO系统的PWARX模型.......... 25-27
4.1.3 基于聚类的辨识.......... 27-30
4.2 HYSDEL模型编译及多参数.......... 30-37
4.2.1 离散混杂自动机.......... 30-32
4.2.2 HYSDEL混杂模型.......... 32-33
4.2.3 PWARX模型的HYSDEL..........33-36
4.2.4 基于多参数规划预测.......... 36-37
4.3 四容水箱的分段仿射模型.......... 37-45
4.3.1 四容水箱模型.......... 37-38
4.3.2 四容水箱混杂..........38-41
4.3.3 HYSDEL语言.......... 41-44
4.3.4 MPC控制 ..........44-45
4.4 本章小结.......... 45-46
5 四容水箱先进控制软件.......... 46-55
5.1 Matlab与.NET环境混合编程.......... 46-48
5.1.1 基于C共享库的.......... 46-47
5.1.2 基于COM组件的..........47
5.1.3 利用ActiveX控件.......... 47-48
5.1.4 基于MATLAB引擎库.......... 48
结论与展望
本文围绕四容水箱的先进操纵算法及相关软件的实现方法进行了较深入的探索和研究。针对实验室自主设计开发的四容水箱实验对象，本论文设c1·了一科，基于网络化工业环境的能实现复杂工业对象的先进控制算法的控制方案。试验了多种先进控制算法，成功实现了多变量预测控制算法的设计。重点研究了分段仿射模型辨识算法及基于多参数规划预测控制算法，实现了一种针对非线性多变量工业过程的辨识和控制方法，并采用该方法在四容水箱模型上成功实现了稳定的控制，控制效果与基于普通线性模型的预测控制方法相比有明显优势。最后通过MATI,AB和.NET混合编程的方法，将先进控制的单步算法在Matlab中实现并编译为.NET组件供.NET调用，在.NET环境下成功开发了多变量预测先进控制软件，脱离Matlab环境实现了四容水箱的实时工业环境下的先进控制。
四容水箱实验装置主要面向本科生、研究生及有关科研工作者在工业控制方面的教学和科研。本课题的研究实现了一种工业环境下用于多变量非线性等较复杂过程系统的先进控制方法，打破了MATLAB中丰富的先进控制算法一般仅用J’仿真的局限，利用混合编程的软件技术真正实现了实时工业环境下先进控制软件的设计。本文工作对未来复杂工业控制策略及软件实现方法的进一步研究有着较大的指导意义。当然由于本课题涉及算法和软件技术内容较多，某些方面研究还有待深入，比如针对四容水箱的先进控制算法的更广泛和细致的研究，先进控制软件的进一步完善，基于工业环境的先进控制软件优化等等。但是由于目前工业领域对先进控制算法和技术的强大需求，父杂过程先进控制软件将有较大的市场前景，这对研究先进控制算法理论和开发工业实用控制技术的结合也将是一个推进。