化工多變量時(shí)滯過程的頻域解耦控制設(shè)計(jì).pdf

1、化工生產(chǎn)中普遍存在具有傳輸時(shí)滯的多輸入多輸出過程，而且隨著各種各樣的先進(jìn)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(jì)高級(jí)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(shí)滯過程的解耦控制設(shè)計(jì)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(yuǎn)不能滿足迅速發(fā)展的各種化工先進(jìn)生產(chǎn)工藝和工程實(shí)踐對(duì)于高級(jí)解耦控制策略以及簡(jiǎn)易工程設(shè)計(jì)和整定方法

2、的實(shí)際需求。 本文從實(shí)際中最常見的雙輸入輸出時(shí)滯過程入手，基于過程控制領(lǐng)域中廣泛采用的頻域辨識(shí)方法所得到的對(duì)象傳遞函數(shù)矩陣模型，根據(jù)工程lSE最優(yōu)性能指標(biāo)，亦即魯棒控制H2最優(yōu)性能指標(biāo)，利用魯棒反饋控制理論和內(nèi)?？刂?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(jì)的創(chuàng)新性研究成果，主要貢獻(xiàn)在于： 1)針對(duì)雙輸入輸出時(shí)滯過程，基于實(shí)際中已廣泛采用的內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，提出了一種解析地設(shè)計(jì)

3、解耦控制器矩陣的方法。其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠使標(biāo)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)稱輸出響應(yīng)性能和魯棒穩(wěn)定性之間的最佳折中。同時(shí)，對(duì)于實(shí)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(píng)估控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性的譜半徑曲線方法。 2)針對(duì)雙輸入輸出時(shí)滯過程，基于實(shí)際中因經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)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(diǎn)是通過構(gòu)造具有普遍適用性的動(dòng)態(tài)解凋因子來設(shè)計(jì)雙回路控制器，可以對(duì)每個(gè)控制閉環(huán)的輸出響應(yīng)分別進(jìn)行在線凋節(jié)和優(yōu)化，并且相對(duì)于目前大多數(shù)的數(shù)值化求解方法，使得運(yùn)算量大為降低。 3)根據(jù)多變量時(shí)滯過程的一般傳遞函數(shù)矩陣模型，基于工程實(shí)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(jì)解耦控制器矩陣的方法。其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)解耦控制系統(tǒng)的標(biāo)稱響應(yīng)性能和魯棒穩(wěn)定性之問的最佳折中。 4)針對(duì)多變量時(shí)滯過程，結(jié)合現(xiàn)代模型預(yù)測(cè)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(diǎn)是可以分別調(diào)節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)給定值響應(yīng)和負(fù)載干擾響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)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(shí)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各路負(fù)載干擾響應(yīng)之間的解耦調(diào)節(jié)，用于抑制負(fù)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(shí)，給出了一種判別標(biāo)稱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便方法，以及面臨實(shí)際中最常見的被控過程的加性和乘性不確定性時(shí)，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(duì)一類特殊的多變量時(shí)滯過程，即開環(huán)穩(wěn)定串級(jí)時(shí)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(jí)過程的末級(jí)過程是否易于建模的情況。它們的突出優(yōu)點(diǎn)是從根

7、本上克服了常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和整定比較麻煩的主要缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)給定值響應(yīng)與中間級(jí)過程的負(fù)載干擾響應(yīng)之間的相對(duì)獨(dú)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(jí)過程負(fù)載干擾信號(hào)的擾動(dòng)觀測(cè)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(dá)到期望的控制系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)。 6)針對(duì)開環(huán)不穩(wěn)定的串級(jí)時(shí)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(diǎn)是從根本上克服了常規(guī)的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值響應(yīng)和負(fù)載干擾響應(yīng)

8、時(shí)會(huì)突出表現(xiàn)的此消彼長(zhǎng)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(jí)過程以及末級(jí)過程的負(fù)載干擾響應(yīng)，而且用于抑制負(fù)載干擾的控制外環(huán)和內(nèi)環(huán)可以相對(duì)獨(dú)立地整定來達(dá)到期望的工作性能指標(biāo)。 本文的研究成果形成了比較系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思想和理論研究方向，進(jìn)一步充實(shí)和發(fā)展了現(xiàn)代頻域解耦控制理論和設(shè)計(jì)方法，并且易于工程實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)用價(jià)值。