多变量带时滞系统的控制设计方法研究

摘要

多变量系统的研究发展至今，一直都是研究领域的热点，但也一直是存在的难点，解决这个难点的方法主要在于要解决多回路之间的相互关系并很好地评价其性能问题。化工对象的主要特性就是多变量特性。过去几十年来，关于多变量对象的控制，研究者主要专注于多变量系统中的耦合问题研究，包括研究耦合的影响以及如何去降低耦合的影响。对于分散控制，主要思路集中在依据耦合影响进行回路配对，然后设计分散控制器;而对于解耦控制，研究方向主要在于选择合适的解耦器形式以便消除耦合。在化工控制领域，目前市场上占主导的控制方案，仍然是瑞典学者分别在1995年和2006年出版的关于的专著中经典的PID控制。而IMC-PID控制算法则结合了内模控制(IMC)和PID控制的设计思想，兼具两者优点，并且能够在单位负反馈控制结构和内模控制结构之间进行转化，为多变量系统的控制策略提供了新思路。
　　本文的研究建立在经典控制理论上，进行多变量时滞系统的控制研究，主要为系统的分布式控制器设计和集中式控制器。本文首先进行了多变量时滞系统的研究进展介绍，针对多变量系统进行了回路分析并提出了一种回路配对的方法。在有关理论铺叙下，本文结合了等价传递函数的思想，进行了多变量时滞系统的分布式控制器设计和集中式解耦控制方法研究。在相对增益矩阵的基础上，结合相对归一化增益矩阵，结合了直接分析法和解耦控制，对二输入二输出系统的分布式控制器的设计方法进行了分布式控制器设计，并将时滞补偿结构控制器推广到多变量时滞系统。紧接着，在等价的传递函数模型参数化方法的基础上，将集中式控制器推广到非最小相位多变量系统(NMP)和非方系统上。而对于一些耦合比较大的系统，比如一些经典的化工过程对象，考虑到系统的稳定裕度指标，分别设计了PI和PID形式的分布式控制器。本文的最后，我们对课题研究进行了概述总结，并结合在此探索过程出现的问题对今后的学习研究工作进行了展望。
　　本论文在基于相关理论的前提下，研究了几类多变量控制系统设计方法，在一定程度上推动了多变量系统理论的发展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文选题的目的及意义

1．2 本课题的相关领域研究状况

1．2．1 内模控制方法

1．2．2 多变量时滞系统的研究进展

1．3 本论文的主要工作

第二章 多变量系统的回路控制结构选择方法

2．1 引言

2．2 耦合分析方法

2．2．1 相对增益矩阵

2．2．2 Niederlinski Index

2．2．3 Morari resiliency index

2．2．4 奇异值分解

2．2．5 动态相对增益矩阵

2．2．6 Hankel Interaction Index Array

2．2．7 H2范数

2．3 基于动态响应的回路选择方法

2．4 仿真研究

2．5 本章小结

第三章 基于多变量等价传递函数的控制方法研究

3．1 引言

3．2 基于等价传递函数的分布式解耦控制器设计

3．2．1 基于直接分析法的控制系统设计

3．2．2 基于ETF的降阶方法

3．2．3 时滞补偿结构控制器的设计

3．2．4 性能指标和鲁棒稳定性分析

3．2．5 降阶方法的推广

3．2．6 仿真研究

3．3 基于等价传递函数的模型的逆的求取

3．4 基于等价传递函数的非最小相位系统集中式解耦控制器设计

3．4．1 集中式控制器设计

3．4．2 仿真研究

3．5 基于等价传递函数的非方系统的集中式控制器设计

3．5．1 非方多变量集中式控制设计

3．5．2 非方等价传递函数矩阵(NETF)

3．5．3 非方等价传递函数模型参数计算

3．5．4 非方系统的等价传递函数矩阵推导过程

3．5．5 多变量PI／PID控制器设计

3．5．6 仿真研究

3．6 本章小结

第四章 基于系统稳定裕度的解耦控制器设计

4．1 引言

4．2 解耦器设计

4．2．1 控制系统分析

4．2．2 解耦器选择

4．2．3 降阶处理方法

4．3 控制器设计

4．3．1 控制器整定方法

4．3．2 PI控制器设计

4．3．3 PID控制器设计

4．4 解耦器设计思路的扩展

4．5 仿真研究

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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