基于闭环阶跃测试的工业多变量过程分散辨识与自整定PID控制

摘要

近些年来,闭环测试条件下的多变量系统辨识问题一直是工业过程控制领域中的研究热点之一,它在多变量控制器参数调整以及多工况工业过程的自整定控制系统设计等方面具有重要的学术意义和应用价值.然而,目前在工业过程控制领域中广泛采用的继电反馈闭环辨识方法实际上是在系统处于小幅振荡状态下进行的,对于实际工业系统的正常运行造成一定的影响.为此,本论文围绕工业多变量过程的辨识与控制问题提出了一种新的基于闭环阶跃测试的多变量系统分散闭环辨识方法及其在自整定.PID控制系统设计中的应用.本论文的主要内容包括: ●通过系统分析分散控制结构下多变量闭环系统内部各变量之间的关系,提出了一种基于闭环阶跃测试的多变量辨识方法,同时给出并证明了这种方法的可辨识性条件.该方法的主要特点在于它通过对各闭环系统变量的阶跃响应进行适当地组合,将一个内部具有复杂关联耦合的多变量过程分解成多个等价的单输入单输出(SISO)子过程. ●根据分解得到的SISO子过程的等效输入输出关系,分别从时域和频域的角度出发,给出了建立两输入两输出(TITO)过程连续传递函数矩阵模型的工程建模方法;然后,又从频域的角度,将该方法推广到n×n维开环稳定的多变量过程的辨识,并分别给出了两种根据过程频率响应建立过程传递函数模型的方法--直接法和间接法.通过多种情况下的仿真实例验证了上述方法的有效性. ●在工业实际生产过程中,存在诸多不确定因素,如闭环系统内包含随机噪声干扰以及待辨识过程具有不稳定特性等.针对随机噪声的抑制问题,本文提出一种简单而有效的噪声抑制方法:即采用常规的低通滤波器抑制测量信号中的高频噪声分量,然后在频率响应矩阵计算公式上加入一个相位补偿项以保证辨识结果的无偏性.而针对开环不稳定过程的闭环辨识问题,本文根据具有RHP极点的不稳定过程和积分不稳定过程的各自特点,从它们的频率响应中提取出必要的系统结构信息,从而将不稳定过程的结构辨识问题转化为相对简单的参数估计问题.通过上述改进与完善,使得本文提出的多变量闭环辨识方法能够进一步地满足工程应用的要求. ●针对在多个不同的工况下运行的多变量过程,将本文提出的基于阶跃测试的多变量闭环辨识方法与基于ISE性能指标的分散:PID控制器设计方法结合起来,提出了一种基于闭环阶跃辨识的多变量自整定分散PID控制策略.最后,通过在一个四容水位控制系统上的应用表明,该自整定:PID控制策略对于因工况改变而引起被控过程模型的变化表现出很好的适应性和良好的控制效果. 总之,本论文系统地提出一种基于闭环阶跃测试的多变量系统分散辨识方法,并将其与多变量分散:PID控制技术结合起来提出一种基于闭环阶跃测试的多变量自整定分散PID控制策略.大量的仿真和实验结果表明了本论文提出的方法是切合实际且行之有效的,在工业过程领域具有很好的应用前景.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2系统辨识的基本概念

1.2.1实验设计

1.2.2模型集/结构的选择

1.3基于阶跃测试的参数辨识

1.3.1图形化方法

1.3.2面积法

1.3.3基于最小二乘的建模方法

1.4基于继电反馈测试的参数辨识

1.4.1继电反馈基本原理

1.4.2基于继电反馈测试的SISO过程辨识

1.4.3基于继电反馈测试的MIMO过程辨识

1.5本文的研究工作

1.6本文结构安排

1.7本章小结

第二章基于分散控制结构的多变量闭环阶跃测试

2.1引言

2.2多变量系统的传递函数矩阵描述

2.3多变量系统耦合性分析与回路配对

2.3.1控制回路耦合性的测度

2.3.2 RGA回路配对规则

2.3.3 Niederlinski指数附加规则

2.4多变量控制系统的闭环稳定性

2.5基于分散控制结构的多变量闭环阶跃测试

2.5.1多变量系统的分散控制结构测试

2.5.2多变量分散控制系统的顺序阶跃测试

2.6本章小结

第三章基于分散控制结构的TITO过程闭环辨识：时域方法

3.1引言

3.2 TITO过程传递函数矩阵的分解

3.3 TITO过程子系统的时域辨识

3.4仿真实例

3.5本章小结

第四章基于分散控制结构的多变量过程闭环辨识：频域方法

4.1引言

4.2闭环阶跃测试条件下多变量过程频率响应矩阵的计算

4.2.1测试信号频谱的计算

4.2.2多变量闭环辨识的可辨识性条件及频率响应矩阵的计算

4.2.3仿真举例

4.3基于过程频率响应的直接最小二乘建模方法

4.3.1算法描述

4.3.2仿真举例

4.4基于时域信号重构的间接参数化方法

4.4.1待辨识子过程开环单位阶跃响应的重构

4.4.2仿真举例

4.5本章小结

第五章分散控制结构多变量闭环辨识方法的进一步研究

5.1引言

5.2有噪声环境下闭环测试信号的处理与滤波器设计

5.2.1基于Laguerre多项式序列的优化滤波

5.2.2基于常规低通滤波器的启发式滤波及其相位补偿

5.2.1.3仿真举例

5.3开环不稳定多变量过程的分散控制结构闭环辨识

5.3.1具有RHP极点的不稳定过程的参数模型辨识

5.3.2积分过程的参数模型辨识

5.4本章小结

第六章基于闭环阶跃辨识的多变量自整定分散PD控制系统设计

6.1引言

6.2基于ISE积分性能指标的分散PID控制器设计

6.3基于闭环阶跃测试的多变量自整定分散PID控制

6.4基于闭环阶跃辨识的自整定PID控制在四容液位系统中的应用

6.4.1四容液位系统组成

6.4.2四容液位系统的自整定PID控制

6.5本章小结

第七章结束语

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要的学术成果