具有輸入輸出約束的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、實(shí)際控制系統(tǒng)中不可避免的存在著各種約束，大多數(shù)工業(yè)過程都會(huì)出現(xiàn)輸入量及其增量約束以及輸出量約束問題?，F(xiàn)在對(duì)無約束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)非常成熟，各種約束的存在使得無約束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能很好的應(yīng)用在有約束控制中，有必要深入研究有約束控制算法和有約束控制器設(shè)計(jì)。 模型預(yù)測控制以其特有的實(shí)時(shí)滾動(dòng)時(shí)域控制策略，不需要控制對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的解析表達(dá)式，在處理約束問題上顯示出巨大的吸引力。同時(shí)，預(yù)測控制也很容易與其他先進(jìn)控制策略相互滲透

2、和利用，在復(fù)雜工業(yè)過程控制中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。 飽和特性廣泛存在于實(shí)際工業(yè)過程中，傳統(tǒng)理論經(jīng)常漠視這一現(xiàn)象。飽和是強(qiáng)非線性，它的加入增加了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，如執(zhí)行器飽和導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力鎖定而失去調(diào)節(jié)作用。近年來對(duì)飽和控制系統(tǒng)的研究取得不少進(jìn)展，在實(shí)際應(yīng)用中，仍需要進(jìn)一步的深入研究。本文在掌握國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開展了進(jìn)一步的研究工作，主要內(nèi)容有： （1）從控制系統(tǒng)中的約束類型開始介紹約束的種類、約束的處理方法，并

3、系統(tǒng)地總結(jié)了有約束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。 （2）介紹了內(nèi)模控制的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了PID超馳控制和IMC超馳控制，并介紹了這兩種控制方法在處理輸出約束方面的優(yōu)缺點(diǎn)?；谶@兩種方法不容易擴(kuò)展到多變量有約束控制系統(tǒng)中，介紹了另外一種處理輸出約束的方法，即基于IMC超馳控制的串級(jí)約束控制。分析了串級(jí)約束控制的控制原理，并研究了串級(jí)約束控制的設(shè)計(jì)方法，并且通過仿真實(shí)例來說明了串級(jí)控制系統(tǒng)的控制和PID超馳控制及IMC超馳控制

4、的控制性能相同，而串級(jí)約束控制更容易擴(kuò)展到多變量控制系統(tǒng)中。 （3）通過對(duì)MPC算法的深入研究，提出了一種改進(jìn)的有約束MPC算法，并介紹了這種算法在精餾塔系統(tǒng)中的應(yīng)用。介紹和研究了常規(guī)MPC算法及在工業(yè)中應(yīng)用以及應(yīng)用中所遇到的問題，在此基礎(chǔ)上介紹一種可以有效處理有約束過程的改進(jìn)的MPC算法，介紹了怎樣把約束處理結(jié)合到單目標(biāo)模型控制策略中的方法。基于有約束MPC算法中二次規(guī)劃不能保證系統(tǒng)有可行解，利用約束軟化的方法來允許控制有小的

5、約束違背，通過對(duì)目標(biāo)方程中權(quán)重的合理選擇能夠使得約束違背的范圍足夠小，用這種折中的方案來達(dá)到較滿意的控制效果。并通過在工業(yè)過程控中的應(yīng)用仿真表明，利用約束軟化的方案，采用有約束MPC算法來控制有約束多變量控制系統(tǒng)，能夠較好地改善系統(tǒng)的控制性能。 （4）執(zhí)行器飽和將嚴(yán)重影響工業(yè)過程控制的性能，如何設(shè)計(jì)出有效抗飽和即有Anti—Wind—up功能的控制器一直是控制領(lǐng)域一個(gè)重要的課題?；趯?duì)控制器飽和性能的研究，提出了一種約束控制器的