組合積分系統(tǒng)的控制理論與應(yīng)用研究.pdf

1、近些年來(lái)，在流程控制領(lǐng)域，通過對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行機(jī)理分析并建模，得到了一類新的過程。此類過程由兩個(gè)或兩個(gè)以上的組合積分環(huán)節(jié)組成，我們稱其為組合積分過程。組合積分過程在流程工業(yè)中廣泛存在，但至今尚未引起廣大工程技術(shù)人員和研究學(xué)者的關(guān)注。目前，流程工業(yè)中的組合積分過程大多采用傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行控制，如PID控制，Smith預(yù)估控制和內(nèi)?？刂频取鹘y(tǒng)的控制方法用于組合積分過程的控制能夠獲得一定的控制性能，這也是此類過程不受重視的原因。但隨著現(xiàn)代

2、流程工業(yè)對(duì)控制精度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的控制方法表現(xiàn)出了很大的局限性，因此，研究專門針對(duì)組合積分系統(tǒng)的控制策略非常必要和迫切。
　　 由于組合積分過程中含有類似1-e-τs/s這樣的環(huán)節(jié)，給組合積分過程的控制和閉環(huán)系統(tǒng)的性能，主要是穩(wěn)定性，分析帶來(lái)了困難。本文研究了流程工業(yè)中實(shí)際存在的組合積分過程，對(duì)與組合積分系統(tǒng)相關(guān)的控制策略和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等問題做了系統(tǒng)深入的研究，主要的研究結(jié)果如下：
　　 (1)組合積分過程

3、的定義與描述提出了組合積分過程的嚴(yán)格定義，并從實(shí)際的流程工業(yè)出發(fā)，給出了幾種具有組合積分過程特性的工業(yè)過程。同時(shí)，還列舉并分析了組合積分環(huán)節(jié)的幾種具體運(yùn)用場(chǎng)合。
　　 (2)組合積分系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)為了給組合積分系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供理論支持，研究了兩類多時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩類系統(tǒng)均同時(shí)含有時(shí)滯和系數(shù)不確定性，其穩(wěn)定性分析分為兩大部分，一部分是求得參數(shù)空間內(nèi)所有可能的參數(shù)穩(wěn)定域邊界，在求解過程中借助于Rekasius變換

4、將所有不確定參數(shù)都映射到同一參數(shù)空間內(nèi)。第二部分是在求得參數(shù)空間內(nèi)所有可能的穩(wěn)定域邊界的基礎(chǔ)上，判斷保證多時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)穩(wěn)定域，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提出了一種基于特征根聚類方法的參數(shù)穩(wěn)定域二步確定法。兩類時(shí)滯系統(tǒng)中，一類時(shí)滯系統(tǒng)含有確定時(shí)滯，在分析其穩(wěn)定性時(shí)，采用了基于建筑塊(Building Block)概念的穩(wěn)定域邊界求解方法，并同時(shí)對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化以提高運(yùn)算效率。另一類時(shí)滯系統(tǒng)不含有確定時(shí)滯，為求得穩(wěn)定域邊界，提出了兩種方法，一種

5、是基于Kronecker和(Kronecker Summation)的方法，先求解穩(wěn)定域邊界上參數(shù)所滿足的必要條件，然后對(duì)必要條件進(jìn)行檢驗(yàn)以確定參數(shù)穩(wěn)定域邊界。另一種是基于Routh陣列的方法。通過構(gòu)造Routh陣列及利用Routh陣列的性質(zhì)獲得穩(wěn)定域邊界上參數(shù)所滿足的充分必要條件，進(jìn)而確定穩(wěn)定域邊界。同時(shí)還分析了該方法在求解穩(wěn)定域邊界時(shí)所需要求解的問題的復(fù)雜度，并證明所求解的穩(wěn)定域中的核超平面的數(shù)量是以Fibonacci級(jí)數(shù)為上界的。

6、
　　 (3)組合積分過程的先進(jìn)控制對(duì)于組合積分過程，當(dāng)期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)也為組合積分過程時(shí)，研究了控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)問題。提出了針對(duì)組合積分過程的偽預(yù)測(cè)重復(fù)控制器及偽預(yù)測(cè)PI控制器。并采用了本文所提出的多時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法求解了為保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，過程參數(shù)所允許的變動(dòng)范圍。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果顯示，所提出的控制策略無(wú)論在標(biāo)稱情況還是模型失配情況下都具有很好的控制性能。鑒于組合積分過程具有無(wú)超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)，且具備一定噪聲抑制能力的

7、特點(diǎn)，研究了期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為組合積分過程時(shí)，低階時(shí)滯過程的控制器設(shè)計(jì)問題，得到了一類抗時(shí)滯PI/PID控制器。所提出的控制器調(diào)節(jié)方便，仿真顯示，采用所提出的方法能夠獲得平穩(wěn)上升，無(wú)超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的閉環(huán)輸出，且系統(tǒng)具有很好的魯棒穩(wěn)定性。
　　 (4)組合積分過程的擾動(dòng)抑制當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)中含有正弦擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，基于內(nèi)模原理，設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)抑制常值擾動(dòng)和正弦擾動(dòng)的擾動(dòng)抑制控制器。為了在保證擾動(dòng)抑制性能的情況下改善閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)跟蹤性能，采

8、用了Astrom提出的改進(jìn)的Smith預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果顯示，所提出的方法能夠很好的抑制常值擾動(dòng)和正弦擾動(dòng)。由于擾動(dòng)抑制控制器的設(shè)計(jì)和在線整定需要實(shí)現(xiàn)知道擾動(dòng)信號(hào)的頻率，因此提出了一種信號(hào)重構(gòu)方法，在保證一定信噪比的前提下，從系統(tǒng)輸出中重構(gòu)出具有和正弦擾動(dòng)信號(hào)相同頻率，但不受常值信號(hào)干擾的正弦信號(hào)。然后，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種無(wú)味Kalman濾波器(Unscented Kalman filter)，辨識(shí)重構(gòu)信號(hào)的頻率。仿真顯示所提