多变量大滞后系统的内模控制及PID转换方法的研究

摘要

科技的进步推动着过程工业生产向着更加专业化、安全化、经济化的方向迈进，先进控制在实际现场中的推广应用已成为过程工业寻展现状，要以服务于实际生产实践为前提。因而，传统控制技术，特别是广泛应用于DCS平台的PID控制技术，仍将在很长一段时期内占据工业现场控制器的绝大份额。寻求先进控制理论同传统PID控制的结合是现阶段最具可行性的过程控制系统改进策略，也是本课题研究创新性的要义和根本。
　　 近年来，伴随着先进控制理论朝气蓬勃的发展，过程控制领域涌现出了诸如人工智能(Artificial Intelligence，AI)、遗传算法(Genetic Algorithm，GA)、专家系统(Expert System，ES)等很多新的研究成果。纵观其中，内模控制(IMC)以其结构设计简单、调节参数少、鲁棒性好等特点颇受控制学着的青睐，加之其与传统反馈控制结构间存在的可转化关系，更赋予了IMC同实用性极强的PID控制相结合的先天优势。IMC-PID控制器的设计融合了内模控制优点的同时，兼具PID控制易于理解和实现、操作简单、工业实践经验丰富的优点，使之凸显出强大的生命力。本文重点研究IMC-PID控制器在多变量大滞后系统中的应用，旨在为传统方法难于控制的大时滞、强耦合的多变量系统拓展新的有效的解决方案。多输入多输出(MIMO)系统是在现代工业特别是石化行业中十分普遍的对象，而回路间、变量间的耦合以及多时滞等难题就成为实际控制中的“短板因素”，且传统的单变量控制方法很难推广用于多变量系统的控制。另一方面，过程工业特别是本课题重点研究的化工过程中不可避免的存在着信号、物料传输以及测量变送等环节，因而时间滞后尤其是大滞后现象的客观存在也严重制约着控制系统性能的改善。综上所述，为了解决现代化工过程业快速高效发展的瓶颈因素——强耦合、大滞后，将先进控制同传统PID控制结合，逐步设计完善IMC-PID控制器在现场的应用成为了前景广阔的方向。
　　 本论文内容严格按照课题研究方向和进展进行论述。课题题目为多变量大滞后系统的内模控制及PID转换方法的研究，在对内模控制和PID控制的理解前提之下，创新性结合了有效开环传递函数、Smith滞后补偿、新型优化算法等，分别针对耦合现象和大滞后现象提出对应的行之有效的解决思路，最后通过模型间的等价转换关系和数学推证的作用，实现多变量IMC-PID控制器的设计。本文的前三章主要是作为后续两种内模PID控制器设计方法提出的铺垫，主要是介绍了相关领域的历史、现状，IMC的结构和基本特性，PID控制的优点，时滞项的处理，IMC-PID控制器的转化设计方法和基础数学运算等。第四章在之前理论的基础上，将内模PID从单变量大滞后系统推广到多变量大滞后系统，在此章节引入了EOTF的思想和Smith滞后补偿结构的有机结合，两个经典的仿真实例表明，该章提出的适用于大滞后MIMO系统的IMC-PID控制器能使得系统响应快、跟踪好、超调小且鲁棒性好。第五章援引第四章部分思路后，重点解决了IMC-PID控制器在非方大滞后系统中的应用问题。在本章，EOTF思想同增量式不完全微分PID控制结构以及NPSO优化搜索算法相结合，提出了多设定点采数法和输入/输出数据综合处理法来得到IMC-PID控制器的参数。在本章进行的仿真对比实验，证明该方法的有效性，且系统具备控制器数量少、具备令人满意的动态特性、鲁棒性好等优点。本文的第六章，是对课题的概述回顾以及在之前研究成果的基础上，结合课题探索过程出现的问题对今后学习研究工作进行展望。
　　 综上所述，本论文课题方向明确、仿真实验真实可靠，在结合了几种控制理论的基础之上积极寻求创新。仿真研究结果表明文中提出的两种多变量大滞后系统的IMC-PID控制器设计方法合理有效，控制效果较好，具备一定的实用价值和发展潜力。

目录

声明

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文选题的目的和意义

1．2 本课题相关领域研究状况

1．2．1 内模控制的历史和发展

1．2．2 内模控制的研究现状

1．2．3 多变量IMC-PID控制的研究现状

1．3 本论文的主要工作

第二章 IMC-PID控制的基本原理

2．1 引言

2．2 内模控制器基本原理

2．2．1 内模控制的性质

2．2．2 内模控制器的设计方法

2．2．3 仿真研究

2．3 内模控制器与PID控制器之间的转换关系

2．4 增量式不完全微分PID控制算法

2．5 小结

第三章 单变量时滞对象的IMC-PID控制器的设计

3．1 引言

3．2 时滞系统的内模控制器设计

3．2．1 单变量时滞系统

3．2．2 时滞系统IMC-PID的转换

3．3 仿真研究

3．4 小结

第四章 基于等效模型的多变量IMC-PID控制器的设计

4．1 引言

4．2 控制器设计

4．2．1 传统Smith结构

4．2．2 控制器结构

4．2．3 等效模型结构

4．2．4 基于等效模型的PID控制器的设计

4．2．5 性能指标

4．3 仿真研究

4．4 小结

第五章 基于NPSO算法的非方系统IMC-PID控制器的设计

5．1 引言

5．2 控制器设计

5．2．1 非方系统等效模型的概念

5．2．2 等效模型控制器的设计

5．2．3 多设定点采数法

5．2．4 NPSO算法

5．2．5 利用子PID控制器得到最终PID控制器

5．3 仿真研究

5．4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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