專利名稱：化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，是針對化工n×n維多輸入多輸出生產(chǎn)過程，以最優(yōu)控制理論和魯棒內(nèi)?？刂评碚摓榛A(chǔ)，提出的一種新穎的解耦控制系統(tǒng)，屬于工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
化工生產(chǎn)中普遍存在著多輸入多輸出過程。由于各個控制通道之間存在耦合作用，使得大多數(shù)已發(fā)展的單變量控制方法很難用于多輸入多輸出過程，尤其是對于含有明顯時滯的過程，系統(tǒng)輸出之間的耦合作用非常突出，會嚴重地惡化系統(tǒng)輸出響應(yīng)性能。因此，如何實施解耦控制和調(diào)節(jié)是目前的研究和應(yīng)用難題。
目前化工實踐中，通常采用靜態(tài)解耦器來減輕多變量控制系統(tǒng)的各路輸出之間的耦合作用，即首先在被控過程的多路輸入端處設(shè)置一個常數(shù)矩陣解耦器，其傳遞矩陣形式為被控過程的穩(wěn)態(tài)增益?zhèn)鬟f矩陣的逆陣，然后對由此增廣得到的被控過程傳遞矩陣利用已發(fā)展成熟的單變量控制設(shè)計方法來構(gòu)造和整定控制系統(tǒng)。它的主要缺點是沒有考慮控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)階段的耦合效應(yīng)，使得各路系統(tǒng)輸出的動態(tài)耦合仍然嚴重，從而導(dǎo)致控制質(zhì)量不高。另一種在實踐中較多采用的控制系統(tǒng)是多環(huán)控制系統(tǒng)(亦稱分散控制系統(tǒng))，即針對被控過程所要求配對的各個輸入和輸出設(shè)計控制閉環(huán)，通過調(diào)節(jié)每個控制閉環(huán)中的單一控制器，實現(xiàn)對各被控過程輸出的調(diào)節(jié)和控制。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是控制操作簡便，經(jīng)濟成本低廉，各個控制閉環(huán)的獨立性強，但其主要缺點是沒有從根本上解決各個系統(tǒng)輸出之間的耦合作用，一般是通過在各個控制閉環(huán)的控制器中設(shè)置解調(diào)因子來實現(xiàn)在各個系統(tǒng)輸出響應(yīng)性能與相互解耦響應(yīng)水平之間折衷，由此使得控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水平較低，控制質(zhì)量不高。有些學(xué)者提出采用被控過程傳遞函數(shù)矩陣的逆陣做為動態(tài)解耦器，將其設(shè)置在被控過程的多路輸入端處，然后針對由此增廣得到的對角化過程傳遞函數(shù)矩陣，按照已發(fā)展的多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法來構(gòu)造實現(xiàn)控制系統(tǒng)，雖然能夠取得明顯改善的控制效果，但應(yīng)用的局限性很大，不便于推廣使用，例如不能用于被控過程傳遞函數(shù)矩陣的逆陣是不穩(wěn)定的情況，然而這種情況在化工實踐中是大量存在的。近期國際著名的Wang Q.-G.教授在文獻《Non-interactingcontrol design for multivariable industrial processes》(多變量工業(yè)過程的無交聯(lián)控制設(shè)計，發(fā)表在控制學(xué)科的國際權(quán)威刊物Journal of Process Control，2003，13，253-265.)中通過提出期望的單位反饋控制閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣來反向確定最優(yōu)控制器矩陣，然后應(yīng)用最小二乘法擬和最優(yōu)控制器矩陣，從而求得線性逼近的控制器矩陣，簡稱Wang方法，它相對于已有的其它方法取得了最好的控制效果，但是控制器矩陣設(shè)計采用的是數(shù)值化方法，所需要的數(shù)據(jù)運算量相當(dāng)大，不便于實際推廣應(yīng)用和在線調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對化工多輸入多輸出過程給出一種新穎的解耦控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)輸出響應(yīng)的幾乎甚至完全解耦，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出響應(yīng)之間的相互獨立調(diào)節(jié)，從根本上解決常規(guī)多輸入多輸出控制系統(tǒng)中存在的輸出響應(yīng)之間嚴重耦合的弊端，并且可以廣泛地應(yīng)用于各種不同的多輸入多輸出過程。
本發(fā)明給出的控制系統(tǒng)基于多變量輸出單位反饋控制結(jié)構(gòu)，利用實際過程的輸出測量信號與系統(tǒng)設(shè)定點的給定值之間的偏差信號作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的調(diào)節(jié)信息，送入解耦控制器矩陣的輸入端，經(jīng)解耦控制器矩陣運算處理后，將控制輸出信號發(fā)送給被控過程的輸入調(diào)節(jié)裝置，從而實現(xiàn)漸近跟蹤系統(tǒng)給定值輸入信號以及抑制負載干擾信號的目的。
本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)由以下兩部分組成n×n維解耦控制器矩陣和多路信號混合器。其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)，解耦控制器矩陣的每列控制器中至少有一個控制器是由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)組成，其余的控制器均分別由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)和一個時滯補償器組成。多路信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣的輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接系統(tǒng)給定值輸入信號，它的一組負極性輸入端連接系統(tǒng)輸出的測量信號，其一組輸出端連接解耦控制器矩陣的輸入端。
解耦控制器矩陣的功能是對系統(tǒng)設(shè)定點的給定值輸入信號與實際被控過程的輸出測量信號之間的偏差信號進行處理和運算，提供被控過程工作所需要的n維輸入能量，從而使被控過程的n維輸出達到給定值的要求，同時，調(diào)節(jié)被控過程的n維輸入量大小，達到消除負載干擾信號影響過程輸出的目的。多路信號混合器的功能是將兩組n維輸入信號按照輸入通道順序混合為一組n維輸出信號。
實際運行本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)的n維多路給定值輸入信號分別按照工作要求依次送入多路信號混合器，經(jīng)多路信號混合器處理后產(chǎn)生n維偏差控制信號，然后將其送入n×n維解耦控制器矩陣，由解耦控制器矩陣進行運算處理和放大，提供被控n×n維多輸入多輸出過程工作所需要的n維多路輸入能量，從而使n維多路控制系統(tǒng)輸出分別達到n維給定值輸入信號的要求。當(dāng)有負載干擾信號混入被控過程時，引起n維系統(tǒng)輸出發(fā)生變化，從而使得n維偏差控制信號不為零，由其調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣的n維輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的n維控制輸出量加入到被控過程的n維多路輸入端，因而能夠抵消和平衡由負載干擾信號引起的系統(tǒng)輸出變化和波動，達到漸近消除系統(tǒng)輸出偏差的目的。
需要說明，解耦控制器矩陣中的每個控制器均為單參數(shù)整定，而且每列控制器均由相同的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2，n.)整定，對應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出響應(yīng)yi(i＝1，2，n.)可以由λi單調(diào)地定量整定，本發(fā)明提出的解耦控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是1.能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)輸出響應(yīng)之間的幾乎甚至完全解耦，從而克服了常規(guī)的多變量控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)之間耦合嚴重的弊端；2.能夠分別定量地調(diào)節(jié)各系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)，從而使控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)指標可以定量整定和估計；3.解耦控制器矩陣是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標設(shè)計的，所以本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)能夠使控制系統(tǒng)性能指標實現(xiàn)最優(yōu)化；4.解耦控制器矩陣中的每個控制器均為單參數(shù)整定，而且每列控制器均由相同的調(diào)節(jié)參數(shù)整定，可以在線單調(diào)地定量調(diào)節(jié)；5.本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)是基于魯棒控制原理設(shè)計的，所以控制系統(tǒng)能夠保證良好的魯棒穩(wěn)定性，對于過程參數(shù)發(fā)生變化不敏感，可以在較大范圍內(nèi)適應(yīng)被控過程建模誤差以及過程參數(shù)攝動。
因此本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性和實用性，能夠在實際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出先進的控制效果。


圖1為本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)的方框原理圖。圖1中，C是指n×n維解耦控制器矩陣，G是指n×n維被控多輸入多輸出過程的傳遞函數(shù)矩陣，即C=c11···c1n·········cn1···cnn]]>G=g11···g1n·········gn1···gnn]]>r表示n維系統(tǒng)給定值輸入，y表示n維系統(tǒng)輸出，u是n維解耦控制器矩陣C的輸出。e是實際被控過程的n維輸出測量信號與系統(tǒng)的n維給定值輸入信號之間的偏差信號。
圖2為本發(fā)明中的解耦控制器矩陣C里每個控制器的閉環(huán)控制單元的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。圖2中，In表示控制輸入，Out表示控制輸出，hi為第i維系統(tǒng)輸出的期望響應(yīng)形式，i＝1，2，…，n。
圖3為針對一個化工實施例，本發(fā)明(粗實線)和Wang方法(粗點線)給出的解耦控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。其中，圖3(a)示出了第1維過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了第2維過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(c)示出了第3維過程輸出響應(yīng)曲線。
圖4為本發(fā)明實施例中在過程參數(shù)發(fā)生攝動的情況下，本發(fā)明(粗實線)和Wang方法(粗點線)給出的解耦控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線。其中，圖4(a)示出了第1維過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了第2維過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(c)示出了第3維過程輸出響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)作進一步說明。
如圖1所示的本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)由以下兩部分組成n×n維解耦控制器矩陣C和多路信號混合器(圖中的圓圈節(jié)點)。其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)，解耦控制器矩陣C的每列控制器中至少有一個控制器是由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)組成，其余的控制器均分別由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)和一個時滯補償器組成。多路信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣C的輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接n維系統(tǒng)給定值輸入信號r，它的一組負極性輸入端連接n維系統(tǒng)輸出y的測量信號，其一組輸出端連接解耦控制器矩陣C的n維輸入端。
實際運行如圖1所示的解耦控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)的n維多路給定值輸入信號r分別按照工作要求依次送入多路信號混合器，經(jīng)多路信號混合器處理后產(chǎn)生n維偏差控制信號e，然后將其送入n×n維解耦控制器矩陣C，由解耦控制器矩陣C進行運算處理和放大，提供被控n×n維多輸入多輸出過程G工作所需要的n維多路輸入能量u，從而使n維多路控制系統(tǒng)輸出y分別達到n維給定值輸入信號r的要求。當(dāng)有負載干擾信號混入被控過程G時，引起n維系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，從而使得n維偏差控制信號e不為零，由其調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣C的n維輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的n維控制輸出量加入到被控過程的n維多路輸入端，因而能夠抵消和平衡由負載干擾信號引起的系統(tǒng)輸出變化和波動，達到漸近消除系統(tǒng)輸出偏差的目的。
一般情況下，化工n×n維多輸入多輸出過程辨識所得的數(shù)學(xué)形式可以用頻域的傳遞函數(shù)矩陣描述為G(s)=g11(s)···g1n(s)·········gn1(s)···gnn(s)---(1)]]>其中g(shù)ij(s)=g0ij(s)e-θijs.]]>為連接第i維過程輸入和第j維過程輸出的傳遞函數(shù)，g0ij(s)是gij(s)的無時滯有理部分，θij是純滯后時間，i，j＝1，2，n.。
下面給出本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)中的解耦控制器矩陣C的設(shè)計公式記Gij為對應(yīng)于G中g(shù)ij的代數(shù)余子式，G的行列式為det(G)，并且令pij=Gijdet(G)=poijeLijs]]>其中poij的分子和分母中均至少有一項不含有時滯因子。顯然G-1＝[pij]。定義poij的逆相對階次為nij，也即它為最大的一個正整數(shù)，使得lims→∞snij-1poij=0]]>取Ni＝max{nij；j＝1，2，…，n}；i＝1，2，…，n (2)θi＝max{Lij；j＝1，2，…，n}；i＝1，2，…，n(3)
記解耦控制器矩陣C＝[cij]，i，j＝1，2，…，n，于是得到Cji=De-(θi-Lij)s(λis+1)NiΠk=1l(1+zks)·11-hi,j=1,2,···,n---(4)]]>其中，λi為第i列控制器的共同調(diào)節(jié)參數(shù)，hi為第i維系統(tǒng)輸出的期望響應(yīng)形式，即hi=e-θis(λis+1)NiΠk=1l1-zks1+zks,i=1,2,···,n---(5)]]>上式中zk(k＝1，2，…，l)為被控過程G的行列式在復(fù)右半平面的零點，l是這些零點的個數(shù)。需要說明，式(4)中的第二部分可以視為一個相對階次為零的特殊積分器，用于消除系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)偏差，因而可以采用如圖2所示的閉環(huán)控制單元實現(xiàn)。
此外，式(4)中的D項為D=poijΠk=1l(1-zks)---(6)]]>它因分子和分母中均以復(fù)雜的形式含有時滯項而很難實際構(gòu)造實現(xiàn)，故采用如下的有理線性Pade逼近公式實現(xiàn)DPade=Σk=0UakskΣk=0Vbksk---(7)]]>其中，U和V為實際指定的能夠滿足工作性能指標的控制器階次，為了最大程度地實現(xiàn)有理正則的逼近，可取U-V＝Ni+l，多項式系數(shù)ak和bk由下面的兩個矩陣求解得到
其中，dk是式(6)的數(shù)學(xué)Taylor(泰勒)展開級數(shù)的各項系數(shù)，即dk=1k!lims→0dkDdsk,k=0,1,···,U+V---(10)]]>b0取為 需要說明，由于det(P)不含有復(fù)右半平面的極點，因此其復(fù)右半平面的零點數(shù)可以通過判斷其Nyquist(奈氏)曲線包圍原點的圈數(shù)確定，二者是相等的。若det(P)含有無窮多個復(fù)右半平面的零點，則建議采用那些主導(dǎo)零點來設(shè)計式(5)示出的期望閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)傳函矩陣形式，根據(jù)頻域控制理論可知，非主導(dǎo)零極點對系統(tǒng)特征方程的性能影響很小。所以在實際設(shè)計期望系統(tǒng)響應(yīng)傳函矩陣形式時，可以在簡化控制器的設(shè)計公式和相對犧牲一些可達到的系統(tǒng)控制性能之間做折衷。至于det(P)的復(fù)右半平面零點的具體位置分布，可以直接通過對其采用數(shù)學(xué)算法公式或軟件包進行求解來確定。另外，式(11)給出b0的選取規(guī)則是為了避免由式(7)得到的逼近公式含有復(fù)右半平面的極點，由Routh-Hurwitz(勞斯-霍爾維茨)穩(wěn)定判據(jù)可知，這樣選取可以確保取V≤2時逼近公式的穩(wěn)定性，但也不能完全保證取V≥3時的穩(wěn)定性，因此采用高階逼近公式時，需要采用Routh-Hurwitz(勞斯-霍爾維茨)穩(wěn)定判據(jù)檢驗其穩(wěn)定性，從而選用可穩(wěn)定實現(xiàn)的高階逼近公式。實際中為了簡便起見，推薦首先選用低階逼近公式，然后在逼近精度和可達到的解耦控制性能指標之間權(quán)衡。
需要說明，上面給出的解耦控制器矩陣設(shè)計公式如今可以比較方便地在工控機和單片機等上數(shù)字離散化實現(xiàn)，計算步長一般可取在0.01-0.1秒之間。
解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2，…，n)的整定規(guī)則可以分別初始整定在(5-10)θi(i＝1，2，…，n)范圍內(nèi)。結(jié)合期望閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)傳函矩陣形式(5)可知，調(diào)小整定參數(shù)λi可以加快對應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出響應(yīng)的速度，提高控制系統(tǒng)的標稱性能，但是相應(yīng)所需的第i列控制器的輸出能量要增大，并且它們對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)所需要提供的能量也要增大，會傾向于超出它們的容量范圍，此外，在面臨被控過程的未建模動態(tài)特性時，易于表現(xiàn)出過激行為，不利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；相反，增大整定參數(shù)λi會使對應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出響應(yīng)變緩，但是所要求的第i列控制器的輸出能量減小，并且對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)所需要的能量也減小，從而有利于提高控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。因此實際整定解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2，…，n)時，應(yīng)在系統(tǒng)輸出響應(yīng)標稱性能與每列控制器及其執(zhí)行機構(gòu)的輸出容量之間權(quán)衡。
通常情況下，為了適應(yīng)被控過程的未建模動態(tài)特性，可以通過分別單調(diào)地增大解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2，…，n)來增強控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，代價是系統(tǒng)的標稱響應(yīng)性能有所降低。如果這樣做仍不能達到符合工作要求的魯棒性能，說明被控過程辨識模型與實際過程偏差太遠，需要重新進行過程辨識，從而減小被控過程的未建模動態(tài)來達到更好的控制效果。
例如對于化工3×3維輸入和輸出的蒸餾塔過程G=1.986e-0.71s66.7s+1-5.24e-60s400s+1-5.984e-2.24s14.29s+1-0.0204e-0.59s(7.14s+1)20.33e-0.68s(2.38s+1)2-2.38e-0.42s(1.43s+1)2-0.374e-7.75s22.22s+111.3e-3.79s(21.74s+1)29.811e-1.59s11.36s+1]]>應(yīng)用本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)，首先按照附圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)造控制系統(tǒng)；然后進行解耦控制器矩陣C的設(shè)計和整定可以驗證，該被控過程的傳遞函數(shù)矩陣沒有復(fù)右半平面的零點。利用前面式(2)-(3)可以求得θ1＝0.8，θ2＝0.68，θ3＝1.85和N1＝N3＝1，N2＝2。因此，應(yīng)用設(shè)計公式(5)提出如下形式的期望閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的對角元傳遞函數(shù)h1=e-0.8sλ1s+1,]]>h2=e-0.68s(λ2s+1)2,]]>h3=e-1.85sλ3s+1]]>然后應(yīng)用設(shè)計公式(4)-(11)可以求解得出解耦控制器矩陣C。這里為了便于同最近Wang方法的解耦控制系統(tǒng)對比，取與之相似的控制器階次進行比較，從而得到C11=D1·14543s2+256.3578s+0.5502(438.7353s+1)(λ1s+1)e-0.09s]]>C21=D1·12391s3+746.2116s2+9.7508s+0.0199(3940.3s2+447.8424s+1)(λ1s+1)]]>C31=D1·1736.5s3-21.7287s2-0.8474s-0.002(4815.4s2+449.8302s+1)(λ1s+1)e-2.2s]]>C12=D2·1.5259×1016s5-2.7718×1015s4-8.0267×1014s3-1.1808×1013s2-6.6809×109s-0.296(1.647×1014s3+1.0282×1013s2+2.2574×1010s+1)(λ2s+1)2e-3.73s]]>C22=D2·-1.304×109s6+9.1916×1018s5+1.8596×1018s4+1.2761×1017s3+3.1092×1015s2+7.004×1012s+0.3149(1.8767×1017s4-1.512×1017s3+1.0105×1016s2+2.2242×1013s+1)(λ2s+1)2]]>C32=D2·8.5062×1013s5-2.1326×1013s4-9.5767×1012s3-4.8285×1011s2-1.0587×109s-0.374(2.4145×1013s3+1.2974×1012s2+2.831×109s+1)(λ2s+1)2e-2.2s]]>C13=D3·6906500s5+965980s4+55910s3+1856.8s2+35.7703s+0.2638(463080s4+107500s3+11096s2+463.5888s+1)(λ3s+1)e-1.79s]]>C23=D3·16790s3+1582.9s2+39.2646s+0.0885(511.4853s2+440.0233s+1)(λ3s+1)]]>C33=D3·2195s3+212.3057s2+5.2157s+0.01(1319.1s2+441.8636s+1)(λ3s+1)e-0.26s]]>其中D1=11-e-0.8sλ1s+1,]]>D2=11-e-0.68s(λ2s+1)2,]]>D3=11-e-1.85sλ3s+1]]>它們可以用如圖2所示的閉環(huán)控制單元實現(xiàn)。分別整定可調(diào)參數(shù)λ1＝15，λ2＝12，λ3＝18。如此初始設(shè)置控制器參數(shù)λ1和λ2的值是為了使得系統(tǒng)輸出響應(yīng)的上升時間與Wang方法的解耦控制系統(tǒng)的相同，以便比較。
需要說明，上面給出的解耦控制器矩陣可以比較方便地在工控機和單片機等上離散化實現(xiàn)，采樣控制步長可取在0.01-0.1秒之間。
仿真實驗時，通過分別在t＝0，200，400秒加入三路單位階躍給定值輸入信號，并且在t＝600秒時加入幅值為0.1的階躍負載干擾信號到三路被控過程輸入端，被控過程輸出的計算機仿真結(jié)果如圖3所示。
由圖3可以看到，本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)(粗實線)實現(xiàn)了標稱系統(tǒng)的輸出響應(yīng)之間的近乎完全解耦。同時可以看到，三路系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)均沒有超調(diào)，負載干擾信號的抑制性能明顯優(yōu)于Wang方法的解耦控制系統(tǒng)(粗點線)。
現(xiàn)在假設(shè)實際被控過程G的傳遞函數(shù)矩陣中所有的純滯后時間常數(shù)均比其辨識模型的增大了40％，在這種嚴重的參數(shù)攝動情況下進行如上所述仿真實驗，攝動過程輸出響應(yīng)的計算機仿真結(jié)果如圖4所示。
由圖4可以看到，本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)(粗實線)能夠良好地保證系統(tǒng)的給定值響應(yīng)和負載干擾響應(yīng)的魯棒穩(wěn)定性，并且顯著優(yōu)于Wang方法的解耦控制系統(tǒng)(粗點線)。
以上闡述的是本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)應(yīng)用于一個化工實施例所表現(xiàn)出的優(yōu)越控制效果。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實施例，由于本發(fā)明針對化工過程中的一般多輸入多輸出過程的傳遞函數(shù)矩陣模型設(shè)計解耦控制器矩陣，所以得出的解析設(shè)計公式可以適用于不同的化工多輸入多輸出生產(chǎn)過程。本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于石化、冶金、醫(yī)藥、建材和紡織等行業(yè)的多輸入多輸出生產(chǎn)過程。
權(quán)利要求
1.一種化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，其特征在于由n×n維解耦控制器矩陣C和多路信號混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)，解耦控制器矩陣C的每列控制器中至少有一個控制器是由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)組成，其余的控制器均分別由一個有理線性控制器串接一個控制閉環(huán)和一個時滯補償器組成，多路信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣C的輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接n維系統(tǒng)給定值輸入信號r，它的一組負極性輸入端連接n維系統(tǒng)輸出y的測量信號，其一組輸出端連接解耦控制器矩陣C的n維輸入端。
2.如權(quán)利要求1的化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，其特征在于解耦控制器矩陣C是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標設(shè)計的，其中的每個控制器均為單參數(shù)整定，而且每列控制器均由相同的調(diào)節(jié)參數(shù)λi(i＝1，2，n.)整定，可以在線單調(diào)地定量調(diào)節(jié)，從而使得對應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出yi(i＝1，2，n.)的時域響應(yīng)指標可以由λi單調(diào)地定量整定。
全文摘要
一種化工多變量生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，由n×n維解耦控制器矩陣和多路信號混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)。利用系統(tǒng)設(shè)定點的n維給定值輸入信號與實際被控過程的n維輸出測量信號之間的偏差信號作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信息，經(jīng)解耦控制器矩陣運算處理后，將n維控制輸出信號發(fā)送給被控過程的n維輸入調(diào)節(jié)裝置，從而實現(xiàn)漸近跟蹤系統(tǒng)給定值輸入信號以及抑制負載干擾信號的目的。本發(fā)明的控制系統(tǒng)能夠保持良好的魯棒穩(wěn)定性，可以在較大范圍內(nèi)適應(yīng)實際被控過程的建模誤差以及過程參數(shù)攝動。
文檔編號G05B13/00GK1588245SQ200410053038
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者劉濤, 張衛(wèi)東, 顧誕英, 李遠貴, 李鋒 申請人:上海交通大學(xué)