化工多变量时滞过程的频域解耦控制设计

摘要

化工生产中普遍存在具有传输时滞的多输入多输出过程，而且随着各种各样的先进制造工艺的快速发展，越来越多的生产过程被构造为高维多变量控制系统，如何设计高级解耦控制策略和调节方法已成为当前最具迫切需求的现代过程控制技术之一。然而多变量时滞过程的解耦控制设计属于过程控制领域中的研究难题，虽然近年来一直受到广泛的关注和大量的探讨，但是所取得的研究成果还远不能满足迅速发展的各种化工先进生产工艺和工程实践对于高级解耦控制策略以及简易工程设计和整定方法的实际需求。 本文从实际中最常见的双输入输出时滞过程入手，基于过程控制领域中广泛采用的频域辨识方法所得到的对象传递函数矩阵模型，根据工程lSE最优性能指标，亦即鲁棒控制H2最优性能指标，利用鲁棒反馈控制理论和内模控制(1MC)原理，以及线性代数、矩阵论和泛函分析等数学工具，做出了一些关于多变量解耦控制设计的创新性研究成果，主要贡献在于： 1)针对双输入输出时滞过程，基于实际中已广泛采用的内模控制结构，提出了一种解析地设计解耦控制器矩阵的方法。其突出优点是能够使标称系统的两路输出响应完全解耦，并且可以通过在线单调地凋节解耦控制器矩阵中每列控制器的单一整定参数来实现系统标称输出响应性能和鲁棒稳定性之间的最佳折中。同时，对于实际中最常见的被控过程的加性和乘性不确定性，给出了一种直观地评估控制系统的鲁棒稳定性的谱半径曲线方法。 2)针对双输入输出时滞过程，基于实际中因经济和简便而广泛应用的双回路控制结构，提出了一种解析地整定常规的PI／PID双回路控制器的方法。其突出优点是通过构造具有普遍适用性的动态解凋因子来设计双回路控制器，可以对每个控制闭环的输出响应分别进行在线凋节和优化，并且相对于目前大多数的数值化求解方法，使得运算量大为降低。 3)根据多变量时滞过程的一般传递函数矩阵模型，基于工程实践中最为广泛采用的单位反馈闭环控制结构提出了一种解析地设计解耦控制器矩阵的方法。其突出优点是能够实现标称系统各路输出响应的显著乃至完全解耦调节。揭示出了解耦控制器矩阵中每列控制器之间的共同调节关系，进而指出可以通过在线单调地调节解耦控制器矩阵中每列控制器的同一整定参数来实现解耦控制系统的标称响应性能和鲁棒稳定性之问的最佳折中。 4)针对多变量时滞过程，结合现代模型预测控制方式提出一种新的两自由度控制结构。其突出优点是可以分别调节和优化系统给定值响应和负载干扰响应，并且能够实现标称系统各路输出响应之间的显著乃至完全解耦。揭示出为了实现系统各路给定值响应之间的解耦凋节，给定值跟踪控制器矩阵中每列控制器之间的共同凋节关系，以及为了实现控制系统的各路负载干扰响应之间的解耦调节，用于抑制负载干扰的闭环控制器矩阵中每行控制器之间的共同调节关系。同时，给出了一种判别标称控制系统的稳定性的简便方法，以及面临实际中最常见的被控过程的加性和乘性不确定性时，控制系统保证鲁棒稳定性的谱半径充要判据。 5)针对一类特殊的多变量时滞过程，即开环稳定串级时滞过程，提出两种新的两自由度控制结构，分别适用于被控串级过程的末级过程是否易于建模的情况。它们的突出优点是从根本上克服了常规的串级控制系统的调节和整定比较麻烦的主要缺点，可以实现系统给定值响应与中间级过程的负载干扰响应之间的相对独立调节和优化。两种控制结构中的给定值跟踪控制器和抑制中间级过程负载干扰信号的扰动观测器，均为单参数整定，并且可以通过分别在线单调地调节来达到期望的控制系统时域响应指标。 6)针对开环不稳定的串级时滞过程，提出一种新的三自由度控制结构。其突出优点是从根本上克服了常规的串级控制结构中调节系统给定值响应和负载干扰响应时会突出表现的此消彼长的矛盾，能够分别在线调节和优化系统给定值响应和中间级过程以及末级过程的负载干扰响应，而且用于抑制负载干扰的控制外环和内环可以相对独立地整定来达到期望的工作性能指标。 本文的研究成果形成了比较系统化的设计思想和理论研究方向，进一步充实和发展了现代频域解耦控制理论和设计方法，并且易于工程实际应用和推广，可以方便地集成到常规的_业控制装置和编写入计算机控制系统中，所以具有良好的理论指导作用和宽阔的工程实用价值。

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第一章绪论

第二章双输入输出时滞过程的解耦控制设计

第三章双输入输出时滞过程的双回路PI/PID控制器的解析设计

第四章多变量时滞过程的解耦控制设计

第五章多变量时滞过程的两自由度解耦控制设计

第六章串级时滞过程的两自由度控制设计

第七章开环不稳定串级时滞过程的解耦控制设计

第八章研究总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要科研成果

上海交通大学学位论文答辩决议书