基于等價(jià)傳遞函數(shù)的多變量控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).pdf

1、由于大多數(shù)的工業(yè)過程都可以描述成多變量系統(tǒng)，因此，多變量控制系統(tǒng)一直是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。工業(yè)過程中常用的控制策略，比如分散PI/PID控制和解耦控制，都因?yàn)槠浔憷默F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試操控性而得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于耦合不嚴(yán)重的多變量系統(tǒng)，在合理配對(duì)的前提下，分散控制就可以得到滿意的控制性能。而對(duì)于耦合嚴(yán)重的多變量系統(tǒng)，解耦控制策略則更加適合。如何真正有效地解除多變量回路之間的耦合作用，將復(fù)雜的多變量控制問題轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單的單變量控制問題

2、，一直是工程師和學(xué)者們思索的焦點(diǎn)。本文在等價(jià)傳遞函數(shù)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)典單變量PID控制技術(shù)，對(duì)多變量控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，并進(jìn)行多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，大量的數(shù)學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本論文提出的方法是簡(jiǎn)單有效的，在工業(yè)過程領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　本論文的主要內(nèi)容包括:
　　1)系統(tǒng)闡述了多變量系統(tǒng)等價(jià)傳遞函數(shù)的概念、含義和性質(zhì)，以及等價(jià)傳遞函數(shù)模型的參數(shù)化方法，在此基礎(chǔ)上提出一種基于特性序列的等價(jià)傳遞函數(shù)的參數(shù)化方法

3、，定義了特性序列來描述過程的動(dòng)態(tài)特性，推導(dǎo)出了開環(huán)的特性序列和等價(jià)傳遞函數(shù)的特性序列之間的關(guān)系，并根據(jù)特性序列和模型參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立方程組，可以求解出等價(jià)傳遞函數(shù)的模型參數(shù)。另外，本文還給出了幾類特殊的多變量過程的等價(jià)傳遞函數(shù)模型參數(shù)化方法。
　　2)提出基于等價(jià)傳遞函數(shù)的多變量系統(tǒng)集中式PI/PID控制器設(shè)計(jì)。集中式多變量控制器結(jié)構(gòu)中的每個(gè)PI/PID控制器元素都是分開獨(dú)立地針對(duì)每一個(gè)等價(jià)傳遞函數(shù)描述的單變量過程設(shè)計(jì)，可以

4、保證在滿足各個(gè)單變量控制目標(biāo)的同時(shí)滿足整個(gè)多變量系統(tǒng)的控制目標(biāo)。因此，與分散式PI/PID控制器相比，集中式PI/PID控制器可以提供更好的總體控制性能。
　　3)提出基于等價(jià)傳遞函數(shù)矩陣的多變量系統(tǒng)解耦控制器設(shè)計(jì)方法。根據(jù)控制器結(jié)構(gòu)的不同，又分為兩種:一種是一體式或全矩陣結(jié)構(gòu)的解耦控制器，解耦控制器由閉環(huán)期望傳遞函數(shù)矩陣和等價(jià)傳遞函數(shù)矩陣綜合推導(dǎo)得到;另外一種是分體式的解耦控制器，由解耦器和PI/PID控制器兩部分組成。首先，利

5、用等價(jià)傳遞函數(shù)矩陣和傳遞函數(shù)逆陣之間的關(guān)系，選擇合理的解耦后的前向通道的期望傳遞函數(shù)矩陣，可以直接推導(dǎo)出解耦控制器的解析形式。接著，運(yùn)用經(jīng)典的單回路PI/PID控制器設(shè)計(jì)方法，針對(duì)開環(huán)期望傳遞函數(shù)矩陣的元素分別設(shè)計(jì)PI/PID控制器，組成多變量系統(tǒng)的分散控制器。
　　4)提出基于等價(jià)傳遞函數(shù)矩陣的多變量系統(tǒng)部分解耦控制器設(shè)計(jì)方法，該方法和解耦控制器設(shè)計(jì)方法的不同點(diǎn)主要在于，解耦器結(jié)構(gòu)的不同。部分解耦器主要考慮在控制性能和控制結(jié)構(gòu)的

6、復(fù)雜程度之間的折衷，引入了結(jié)構(gòu)選擇標(biāo)準(zhǔn)，在不影響控制性能的前提下盡可能地簡(jiǎn)化解耦器的結(jié)構(gòu)。另外，該方法還分析了等價(jià)傳遞函數(shù)矩陣和傳遞函數(shù)逆陣之間的近似等價(jià)關(guān)系對(duì)總體控制性能可能帶來的消極影響，為了避免這種影響，引入了對(duì)等價(jià)傳遞函數(shù)模型參數(shù)的約束，從而保證了等價(jià)傳遞函數(shù)的合理性。
　　5)針對(duì)提出的兩種解耦控制器的設(shè)計(jì)方法，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)仿真平臺(tái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):雙容液位控制實(shí)驗(yàn)和中央空調(diào)恒溫控制實(shí)驗(yàn)。無論數(shù)學(xué)仿真還是實(shí)物仿真結(jié)果，均驗(yàn)證了