多变量时滞过程解耦控制系统定量分析与设计

论文摘要

先进过程控制系统的研究一直受到国内外学者的广泛关注,而解耦控制系统则是先进过程控制系统的重要分支。虽然在解耦控制系统设计方面已经取得了许多成果,但是有关多变量时滞过程解耦控制系统设计问题的研究还很不完善。多变量时滞过程继承了无时滞多变量过程的复杂性,且包含的时滞因子使得这种复杂性变得更加难以控制。已有多变量控制方法和单变量时滞过程控制方法大都无法对这类对象实现有效控制。如何针对多变量时滞过程设计先进的解耦控制系统,使其既具有优越的解耦控制性能,又便于被实施应用是一个具有重大理论价值和实际意义的课题。本文在已有的频域解耦技术基础上,利用多变量控制理论和鲁棒控制理论研究了多变量时滞过程解耦控制系统的定量设计问题。通过对已知被控过程模型和控制结构信息进行分析,定量展示出了被控过程包含的耦合和时滞因子对系统性能的不利影响,并进一步解析设计了几类先进的解耦控制系统。这类方法的优点是设计过程简单,控制器参数整定方便。为使系统能够被有效实施,本文还分别为获的的系统推导了稳定性判定条件,发展了控制器参数整定的具体方法。本文的主要创新和贡献如下:1.针对多变量时滞单位反馈控制系统,利用耦合矩阵概念清晰的展示出系统内部耦合特征及过程包含的时滞因子对系统输出性能的影响,并基于该结论发展了一种解耦PID控制器解析设计方法。此外,推导了解耦系统保持稳定性的直观判定条件,根据系统解析设计的特点为获得的解耦PID控制器发展了参数定量整定策略。2.针对多变量时滞单位反馈控制系统,利用有效相对互联分析方法所定量描述的过程内部耦合对过程主对角系统的影响信息,建立了一般多变量时滞过程的有效等价对角传递函数矩阵模型,并在此基础上根据PID控制的频率依赖特性推导了分散PID控制器的解析设计公式。此外,推导了系统保持稳定性的判定条件,发展了控制器参数的整定策略。3.针对多变量时滞过程,通过在典型解耦内模结构中引入一个分散型扰动控制器,建立了一种简单的双自由度解耦内模控制结构,实现了系统设定点跟踪响应和扰动抑制输出响应间的解耦。提出的扰动控制器解析设计新方法,在保证系统输出解耦的前提下,能够明显改善系统的扰动抑制性能。此外,分析并推导了控制系统保持稳定性的判定条件。4.针对积分双输入双输出时滞过程,提出了一种双自由度解耦控制结构。首先提出了一种解析设计解耦器的新方法,实现了对积分双输入双输出时滞过程的完全解耦;其次针对解耦后的积分过程,给出了设定点跟踪控制器和扰动控制器解析设计方法,分析了系统保持稳定性的条件。提出的控制系统有效克服了过程包含的积分项给系统输出带来的不利影响,不但实现了系统设定点跟踪响应和扰动抑制输出响应间的有效解耦,而且能够有效抑制斜坡类型过程输入和输出扰动。5.针对一般非自衡多变量时滞过程,提出一种多自由度解耦控制结构。首先利用多变量时滞过程稳定控制器参数化公式,分别为系统中的多个控制器建立了一般表达式;然后从系统性能优化角度出发推导了各个控制器的具体设计公式。提出的控制系统不但实现了系统设定点跟踪响应和扰动抑制输出响应间的完全解耦,而且实现了对扰动抑制输出响应动态特性的有效调节。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 单变量时滞系统典型频域研究方法综述
• 1.3 多变量过程典型频域解耦控制方法综述
• 1.4 多变量时滞过程的解耦控制系统研究现状
• 1.4.1 PID 控制
• 1.4.2 解耦史密斯预估控制结构
• 1.4.3 解耦内模控制结构
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 多变量时滞过程解耦PID 控制器解析设计及整定
• 2.1 引言
• 2.2 双输入双输出时滞过程解耦PID 控制器解析设计及整定
• 2.2.1 解耦PID 控制器解析设计
• 2.2.2 解耦PID 控制器参数整定
• 2.2.2.1 标称系统稳定性分析
• 2.2.2.2 系统鲁棒稳定性分析
• 2.2.2.3 PID 控制器参数整定规则
• 2.3 高维多变量时滞过程解耦PID 控制器解析设计及讨论
• 2.4 仿真及结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 多变量时滞过程分散PID 控制器解析设计及整定
• 3.1 引言
• 3.2 有效相对互联分析
• 3.3 有效等价对角传递函数矩阵模型
• 3.4 分散PID 控制器解析设计
• 3.5 分散PID 控制器参数整定
• 3.5.1 系统稳定性分析
• 3.5.2 PID 控制器参数整定规则
• 3.6 仿真及结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 多变量时滞过程解耦内模系统的扰动抑制性能优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 解耦内模控制及过程模型分解
• 4.3 改进解耦内模控制系统设计
• 4.3.1 输出扰动抑制性能优化
• 4.3.2 输入扰动抑制性能优化
• 4.4 系统稳定性分析
• 4.5 仿真及结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 积分双输入双输出时滞过程的解耦控制系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 解耦控制系统设计
• 5.2.1 基于模型逆的解耦器设计
• 5.2.2 设定点跟踪控制器设计
• 5.2.3 扰动控制器设计
• 5.3 系统稳定性分析
• 5.4 仿真及结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 一般非自衡多变量时滞过程的解耦控制系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 非自衡多变量时滞过程的稳定控制器参数化
• 6.3 解耦控制系统设计
• 6.3.1 解耦控制结构
• 6.3.2 系统内稳定性分析
• 6.3.3 控制系统设计
• 6.3.3.1 预估模块及设定点跟踪控制器设计
• 6.3.3.2 扰动控制器设计
• 6.4 仿真及结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要学术科研成果