多变量内模及其PID转化的研究

论文摘要

在实际的化工过程中,多变量系统广泛存在,其多时滞多耦合的特点让传统的PID控制难以适用。内模控制（IMC）以其简便的设计方法,独特的鲁棒性以及预测能力等特点,使其在解决多变量系统的控制问题上显示出巨大的生命力。本文选取典型的多变量化工过程为研究对象,提出了IMC控制器滤波器参数的性能指标寻优方法,并研究了规范型的解耦方法,分别提出了P规范和V规范的内模解耦控制器,同时还针对性地提出了对象时滞补偿的方法,详细情况如下：1、本文对包含时滞环节的对象进行了内模控制器的设计,基于对时滞环节的近似（泰勒近似、一阶Pade近似和全极点近似）推导了其PID转化方法,通过仿真对比证明了全极点近似方法的近似程度较高。2、本文提出了基于性能指标的滤波器参数优化方法,给出了实用的性能指标。仿真结果表明经本文提出方法优化后的系统响应要优于未经优化的系统响应。本文提出的方法对滤波器参数的选取具有指导意义,避免了以往盲目试凑的过程,非常具有工程实用价值。3、本文采用一体化设计的思路,基于P规范解耦方式提出了一种新型多变量内模控制器（P-IMC）,该控制器同时实现解耦和控制的功能。相比以往多变量内模控制器直接以对象模型的逆来进行设计的方法,本文采用系统开环传函的广义对象主对角元素的逆来设计主回路控制器,然后以解耦条件设计副回路控制器。该方法创造性地运用了模型逆的概念,避免了矩阵求逆的过程,使设计更加简便。仿真研究表明本文提出的方法解耦控制的效果要更优秀。4、以往的研究多变量内模控制器都是采用P规范设计的,本文提出了V规范解耦内模控制器的设计方法（V-IMC）。由于避免了复杂的矩阵求逆运算,其设计方法及参数整定相比P-IMC得到简化,尤其是在进行IMC-PID转化时,大大减小了计算量,优势相当明显。仿真研究表明本文提出的V-IMC方法解耦控制效果好,鲁棒性强,在进行IMC-PID转化时形式简单,有利于实际应用。5、对于某些控制对象,当其某个主回路时滞大于耦合回路的时滞时,会导致所解出的副回路内模控制器中包含超前项,物理上无法实现。以往为了控制器实现都采用直接对其进行时滞补偿的方式。这种方法虽然保证了控制器的实现,并且在对象各通道时滞相差较小时也能达到较好的解耦控制效果；但当对象各通道时滞相差较大时,这种补偿方法会对控制器的解耦性能造成很大影响。本文提出了对对象进行时滞补偿的方法,并给出了一种简单可行的时滞补偿结构,使得本文设计的内模解耦控制器能够适用于不同时滞分布的对象,避免了以往复杂的时滞分析设计过程以及在对象各通道时滞相差较大时解耦效果下降的情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的目的和意义
• 1.2 内模控制的研究状况
• 1.2.1 内模控制的历史
• 1.2.2 内模控制的发展
• 1.2.3 内模控制的现状
• 1.3 完成的主要工作
• 第二章 内模控制原理
• 2.1 引言
• 2.2 内模控制原理
• 2.2.1 内模控制基本结构及性质
• 2.2.2 理想内模控制器设计时的问题
• 2.2.3 内模控制器设计方法
• 2.2.4 仿真研究
• 2.3 内模控制器与PID控制器的转换关系
• 2.3.1 IMC与PID之间的相互转化
• 2.3.2 仿真研究
• 2.4 小结
• 第三章 时滞过程IMC控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 时滞系统的内模设计
• 3.2.1 时滞系统描述
• 3.2.2 对时滞环节近似处理的IMC设计方法
• 3.3 时滞系统IMC-PID转化
• 3.4 基于性能指标的滤波器参数优化
• 3.5 小结
• 第四章 多变量系统解耦分析
• 4.1 引言
• 4.2 规范型对象及解耦环节
• 4.2.1 P规范与V规范控制对象
• 4.2.2 P规范与V规范解耦环节
• 4.2.3 P规范形式与V规范形式的互相转化
• 4.2.4 P规范控制对象V规范解耦环节实现条件
• 4.3 多变量耦合系统的解耦设计方法
• 4.3.1 理想解耦法
• 4.3.2 简化解耦法
• 4.3.3 静态解耦法
• 4.4 小结
• 第五章 多变量系统内模控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 多变量内模解耦控制的基本结构及解耦分析
• 5.2.1 多变量内模解耦控制系统
• 5.2.2 解耦分析
• 5.3 P规范解耦内模控制器设计
• 5.3.1 解耦设计
• 5.3.2 内模控制器设计
• 5.3.3 P规范IMC-PID设计
• 5.3.4 仿真研究
• 5.4 V规范解耦内模控制器设计
• 5.4.1 解耦设计
• 5.4.2 内模控制器设计
• 5.4.3 V规范IMC-PID设计
• 5.4.4 仿真研究
• 5.5 时滞分布导致IMC出现超前项的解决办法
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件