化工多變量時滯過程的頻域解耦控制設(shè)計.pdf

1、化工生產(chǎn)中普遍存在具有傳輸時滯的多輸入多輸出過程，而且隨著各種各樣的先進制造工藝的快速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)過程被構(gòu)造為高維多變量控制系統(tǒng)，如何設(shè)計高級解耦控制策略和調(diào)節(jié)方法已成為當(dāng)前最具迫切需求的現(xiàn)代過程控制技術(shù)之一。然而多變量時滯過程的解耦控制設(shè)計屬于過程控制領(lǐng)域中的研究難題，雖然近年來一直受到廣泛的關(guān)注和大量的探討，但是所取得的研究成果還遠不能滿足迅速發(fā)展的各種化工先進生產(chǎn)工藝和工程實踐對于高級解耦控制策略以及簡易工程設(shè)計和整定方法

2、的實際需求。 本文從實際中最常見的雙輸入輸出時滯過程入手，基于過程控制領(lǐng)域中廣泛采用的頻域辨識方法所得到的對象傳遞函數(shù)矩陣模型，根據(jù)工程lSE最優(yōu)性能指標，亦即魯棒控制H2最優(yōu)性能指標，利用魯棒反饋控制理論和內(nèi)模控制(1MC)原理，以及線性代數(shù)、矩陣論和泛函分析等數(shù)學(xué)工具，做出了一些關(guān)于多變量解耦控制設(shè)計的創(chuàng)新性研究成果，主要貢獻在于： 1)針對雙輸入輸出時滯過程，基于實際中已廣泛采用的內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)，提出了一種解析地設(shè)計

3、解耦控制器矩陣的方法。其突出優(yōu)點是能夠使標稱系統(tǒng)的兩路輸出響應(yīng)完全解耦，并且可以通過在線單調(diào)地凋節(jié)解耦控制器矩陣中每列控制器的單一整定參數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)標稱輸出響應(yīng)性能和魯棒穩(wěn)定性之間的最佳折中。同時，對于實際中最常見的被控過程的加性和乘性不確定性，給出了一種直觀地評估控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性的譜半徑曲線方法。 2)針對雙輸入輸出時滯過程，基于實際中因經(jīng)濟和簡便而廣泛應(yīng)用的雙回路控制結(jié)構(gòu)，提出了一種解析地整定常規(guī)的PI／PID雙回路控制

4、器的方法。其突出優(yōu)點是通過構(gòu)造具有普遍適用性的動態(tài)解凋因子來設(shè)計雙回路控制器，可以對每個控制閉環(huán)的輸出響應(yīng)分別進行在線凋節(jié)和優(yōu)化，并且相對于目前大多數(shù)的數(shù)值化求解方法，使得運算量大為降低。 3)根據(jù)多變量時滯過程的一般傳遞函數(shù)矩陣模型，基于工程實踐中最為廣泛采用的單位反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)提出了一種解析地設(shè)計解耦控制器矩陣的方法。其突出優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)各路輸出響應(yīng)的顯著乃至完全解耦調(diào)節(jié)。揭示出了解耦控制器矩陣中每列控制器之間的共

5、同調(diào)節(jié)關(guān)系，進而指出可以通過在線單調(diào)地調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣中每列控制器的同一整定參數(shù)來實現(xiàn)解耦控制系統(tǒng)的標稱響應(yīng)性能和魯棒穩(wěn)定性之問的最佳折中。 4)針對多變量時滯過程，結(jié)合現(xiàn)代模型預(yù)測控制方式提出一種新的兩自由度控制結(jié)構(gòu)。其突出優(yōu)點是可以分別調(diào)節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)給定值響應(yīng)和負載干擾響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)各路輸出響應(yīng)之間的顯著乃至完全解耦。揭示出為了實現(xiàn)系統(tǒng)各路給定值響應(yīng)之間的解耦凋節(jié)，給定值跟蹤控制器矩陣中每列控制器之間的共同凋節(jié)

6、關(guān)系，以及為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各路負載干擾響應(yīng)之間的解耦調(diào)節(jié)，用于抑制負載干擾的閉環(huán)控制器矩陣中每行控制器之間的共同調(diào)節(jié)關(guān)系。同時，給出了一種判別標稱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的簡便方法，以及面臨實際中最常見的被控過程的加性和乘性不確定性時，控制系統(tǒng)保證魯棒穩(wěn)定性的譜半徑充要判據(jù)。 5)針對一類特殊的多變量時滯過程，即開環(huán)穩(wěn)定串級時滯過程，提出兩種新的兩自由度控制結(jié)構(gòu)，分別適用于被控串級過程的末級過程是否易于建模的情況。它們的突出優(yōu)點是從根

7、本上克服了常規(guī)的串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和整定比較麻煩的主要缺點，可以實現(xiàn)系統(tǒng)給定值響應(yīng)與中間級過程的負載干擾響應(yīng)之間的相對獨立調(diào)節(jié)和優(yōu)化。兩種控制結(jié)構(gòu)中的給定值跟蹤控制器和抑制中間級過程負載干擾信號的擾動觀測器，均為單參數(shù)整定，并且可以通過分別在線單調(diào)地調(diào)節(jié)來達到期望的控制系統(tǒng)時域響應(yīng)指標。 6)針對開環(huán)不穩(wěn)定的串級時滯過程，提出一種新的三自由度控制結(jié)構(gòu)。其突出優(yōu)點是從根本上克服了常規(guī)的串級控制結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值響應(yīng)和負載干擾響應(yīng)

8、時會突出表現(xiàn)的此消彼長的矛盾，能夠分別在線調(diào)節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)給定值響應(yīng)和中間級過程以及末級過程的負載干擾響應(yīng)，而且用于抑制負載干擾的控制外環(huán)和內(nèi)環(huán)可以相對獨立地整定來達到期望的工作性能指標。 本文的研究成果形成了比較系統(tǒng)化的設(shè)計思想和理論研究方向，進一步充實和發(fā)展了現(xiàn)代頻域解耦控制理論和設(shè)計方法，并且易于工程實際應(yīng)用和推廣，可以方便地集成到常規(guī)的_業(yè)控制裝置和編寫入計算機控制系統(tǒng)中，所以具有良好的理論指導(dǎo)作用和寬闊的工程實用價值。