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双容系统广泛存在于化工、石油、污水处理等流程工业中,实际应用中多数仍使用传统的PID控制器进行控制。但由于双容系统往往具有大惯性、非线性、大时滞及多干扰等特点,应用传统控制方法难以得到良好的控制品质以及理想的鲁棒性,因此对双容系统新型控制方法的研究具有重要实际意义。双容水箱系统是流程工业中许多复杂双容系统的原型,是过程控制中的典型对象。本文以双容水箱为研究对象,提出了基于预测PI的串级控制方案,研究了其参数整定方法与原则,并在Opto22中对控制方案进行工程化实现。最后将所研究的成果拓展到流程工业之中,设计了基于预测PI的脱丙烷塔塔顶温度控制系统及单晶硅液面温度控制系统,验证了该控制方案在实际工业过程中的可行性与实用性。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)双容水箱系统具有大惯性特性,本文分别阐述了单容和双容水箱系统结构和工作原理,分析内在机理,采用机理建模的方法建立其数学模型,通过阶跃响应测试验证模型参数准确性。(2)提出一种基于鲁棒性的绝对误差积分(RobustIAE)的新型控制系统评价指标,引入模拟退火算法对预测PI算法的参数?进行优化整定,使得预测PI的控制效果在响应速度和鲁棒性能上达到最优。(3)针对基于传统PID控制器的串级控制存在超调,参数整定较为复杂的缺点,提出一种基于预测PI的串级控制方案。分析比较两种控制方案对双容水箱的控制效果,结果表明基于预测PI的串级控制方案具有更好的控制品质、较强的抗干扰性能以及良好的鲁棒性。(4)基于Opto22 PAC Project平台对基于预测PI的双容水箱串级控制方案进行工程化实现,验证其实际控制效果。在Opto Control中设计控制策略,对控制算法作离散化处理,在PAC Display中设计人际交互界面(HMI),用户通过该界面可观测系统的实时运行状态及在线调整参数。(5)脱丙烷塔塔顶温度和单晶硅液面温度都是双容且存在滞后的对象,分别设计这两类对象的预测PI串级控制系统,前期调试检验了预测PI串级控制在工业生产过程中的实用性。