專利名稱：化工多變量生產(chǎn)過程的兩自由度解耦控制系統(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)過程的兩自由度解耦控制系統(tǒng)，是針對(duì)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)模控制理論為基礎(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)：
隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求不斷提高，越來越多的化工生產(chǎn)工藝構(gòu)造成高維多變量控制系統(tǒng)，因而對(duì)多變量系統(tǒng)的高級(jí)控制策略和調(diào)節(jié)方法具有迫切要求。由于多變量過程的各路輸出具有傳輸和檢測(cè)時(shí)滯，以及各輸出通道之間存在交聯(lián)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(duì)于含有明顯時(shí)滯的過程，系統(tǒng)輸出之間的耦合作用非常突出，會(huì)嚴(yán)重地惡化系統(tǒng)輸出響應(yīng)性能。因此，如何實(shí)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(shí)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(gè)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(duì)由此增廣得到的被控過程傳遞矩陣?yán)靡寻l(fā)展成熟的單變量控制設(shè)計(jì)方法來構(gòu)造和整定控制系統(tǒng)。它的主要缺點(diǎn)是沒有考慮控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)階段的耦合效應(yīng)，使得各路系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)耦合仍然嚴(yán)重，從而導(dǎo)致控制質(zhì)量不高。另一種在實(shí)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(duì)被控過程所要求配對(duì)的各路輸入和輸出設(shè)計(jì)控制閉環(huán)，通過調(diào)節(jié)每個(gè)控制閉環(huán)中的單一控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各路被控過程輸出的調(diào)節(jié)和控制。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是控制操作簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)成本低廉，各個(gè)控制閉環(huán)的獨(dú)立性強(qiáng)，但其主要缺點(diǎn)是沒有從根本上解決各路系統(tǒng)輸出之間的耦合作用，一般是通過在各個(gè)控制閉環(huán)的控制器中設(shè)置解調(diào)因子來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各路輸出的響應(yīng)性能與相互解耦程度之間的折衷，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。有些工程專家和學(xué)者提出采用被控過程傳遞函數(shù)矩陣的逆陣做為動(dòng)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(duì)由此增廣得到的對(duì)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(jì)方法來構(gòu)造實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，雖然能夠取得明顯改善的控制效果，但是由于動(dòng)態(tài)解耦控制器受到被控過程的維數(shù)和傳輸時(shí)滯的約束而難以實(shí)際構(gòu)造，因此使用的局限性很大，不便于推廣應(yīng)用于高維多變量時(shí)滯過程。近期國(guó)際著名的Wang Q.-G.教授在文獻(xiàn)《Non-interacting control design for multivariableindustrial processes》(多變量工業(yè)過程的無交聯(lián)控制設(shè)計(jì)，發(fā)表在控制學(xué)科的國(guó)際頂級(jí)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)的傳遞函數(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，從而求得線性可執(zhí)行的控制器矩陣，簡(jiǎn)稱Wang方法，它相對(duì)于已有的其它方法取得了目前最好的控制效果，但是控制器矩陣設(shè)計(jì)采用的是數(shù)值化方法，所需要的數(shù)據(jù)運(yùn)算量相當(dāng)大，不便于實(shí)際推廣應(yīng)用和在線調(diào)節(jié)。另外，現(xiàn)已發(fā)展和應(yīng)用的多變量控制結(jié)構(gòu)和方法不能分別獨(dú)立地優(yōu)化各路系統(tǒng)給定值響應(yīng)及其負(fù)載干擾響應(yīng)，然而目前化工實(shí)踐中對(duì)解決這個(gè)難題具有強(qiáng)烈的期望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)化工多輸入多輸出過程給出一種新穎的兩自由度解耦控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)稱系統(tǒng)各路輸出響應(yīng)之間的顯著解耦，實(shí)現(xiàn)各路系統(tǒng)給定值響應(yīng)及其負(fù)載干擾響應(yīng)的相互獨(dú)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(yán)重耦合以及不能分別優(yōu)化各路系統(tǒng)給定值響應(yīng)及其負(fù)載干擾響應(yīng)的弊端，并且可以廣泛地應(yīng)用于各種不同的化工多輸入多輸出生產(chǎn)工藝過程。
本發(fā)明給出的控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代模型預(yù)測(cè)控制方式，采用一個(gè)解耦控制器矩陣以開環(huán)控制形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各路輸出的給定值響應(yīng)，利用實(shí)際過程的輸出測(cè)量信號(hào)與參考輸出信號(hào)之間的偏差量作為監(jiān)控系統(tǒng)輸出響應(yīng)的調(diào)節(jié)信息，送入設(shè)置在被控過程輸入和輸出端之間的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的反饋通道中的控制器矩陣的輸入端，經(jīng)該閉環(huán)控制器矩陣運(yùn)算處理后，將控制輸出信號(hào)送給被控過程的輸入調(diào)節(jié)裝置以進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負(fù)載干擾信號(hào)的目的。
本發(fā)明的兩自由度解耦控制系統(tǒng)由以下幾部分組成n×n維解耦控制器矩陣、n×n維閉環(huán)控制器矩陣、n維對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣和兩個(gè)多路信號(hào)混合器。其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)。第一個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程的n維輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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解耦控制器矩陣的n維輸出信號(hào)，它的一組負(fù)極性輸入端連接閉環(huán)控制器矩陣的n維輸出信號(hào)，其一組輸出端連接被控過程的n維輸入端。第二個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程的n維輸出端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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被控過程的n維輸出測(cè)量信號(hào)，它的一組負(fù)極性輸入端連接對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣的n維輸出端，其一組輸出端連接閉環(huán)控制器矩陣的n維輸入端。
解耦控制器矩陣的功能是對(duì)系統(tǒng)給定值輸入信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)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(dá)到各路給定值的要求。閉環(huán)控制器矩陣的功能是對(duì)檢測(cè)到的被控過程的各路輸出偏差信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，從而調(diào)節(jié)被控過程的n維輸入量大小，達(dá)到消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負(fù)載干擾信號(hào)的目的。對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣的功能是提供參考輸出信號(hào)，用于同實(shí)際被控過程的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生系統(tǒng)輸出的偏差信號(hào)以送入閉環(huán)控制器矩陣進(jìn)行處理。多路信號(hào)混合器的功能是將兩組n維輸入信號(hào)按照輸入通道順序混合為一組n維輸出信號(hào)。
實(shí)際運(yùn)行解耦控制系統(tǒng)時(shí)，首先將控制系統(tǒng)的n維多路給定值輸入信號(hào)分別按照工作要求依次送入解耦控制器矩陣，由其進(jìn)行運(yùn)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維控制系統(tǒng)輸出分別達(dá)到n維給定值輸入信號(hào)的要求。當(dāng)有負(fù)載干擾信號(hào)混入被控過程時(shí)，引起系統(tǒng)輸出發(fā)生變化，因此與由對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣提供的參考輸出信號(hào)之間產(chǎn)生偏差，由該偏差信號(hào)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制器矩陣的n維輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的n維控制輸出信號(hào)，將其送入到被控過程的n維輸入端以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而能夠抵消和平衡由負(fù)載干擾信號(hào)引起的系統(tǒng)輸出變化和波動(dòng)，達(dá)到漸近消除系統(tǒng)輸出偏差的目的。
需要說明，解耦控制器矩陣的每列控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)整定，閉環(huán)控制器矩陣的每行控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)整定。
本發(fā)明提出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是1.能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)稱系統(tǒng)輸出響應(yīng)之間的顯著解耦，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(yán)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(shí)域響應(yīng)指標(biāo)可以定量整定和估計(jì)；3.能夠分別在線優(yōu)化控制系統(tǒng)各路輸出的給定值響應(yīng)和負(fù)載干擾響應(yīng)；4.解耦控制器矩陣和閉環(huán)控制器矩陣都是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的，所以本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)能夠使控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化；5.解耦控制器矩陣和閉環(huán)控制器矩陣中的每個(gè)控制器均為單參數(shù)整定，可以在線單調(diào)地定量調(diào)節(jié)，而且解耦控制器矩陣的每列控制器均由相同的調(diào)節(jié)參數(shù)整定，閉環(huán)控制器矩陣的每行控制器均由相同的調(diào)節(jié)參數(shù)整定；6.本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)是基于魯棒控制原理設(shè)計(jì)的，所以控制系統(tǒng)能夠保證良好的魯棒穩(wěn)定性，對(duì)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(dòng)。
因此，本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性和實(shí)用性，能夠在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出先進(jìn)的控制效果。


圖1為本發(fā)明的兩自由度解耦控制系統(tǒng)的方框原理圖。圖1中，G是指n×n維被控多輸入多輸出過程，Cs是指n×n維解耦控制器矩陣，Hr是指n維對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣，Cf是指n×n維閉環(huán)控制器矩陣，圖中的圓圈節(jié)點(diǎn)是指多路信號(hào)混合器，R是指n維系統(tǒng)給定值輸入信號(hào)，Y是指n維系統(tǒng)輸出，U是指Cs的n維輸出信號(hào)，F(xiàn)是指Cf的n維輸出信號(hào)，LD是指負(fù)載干擾信號(hào)，Yr是指n維系統(tǒng)參考輸出信號(hào)，E是指實(shí)際被控過程的n維輸出測(cè)量信號(hào)與Yr之間的偏差信號(hào)。
圖2為本發(fā)明中構(gòu)造控制器的閉環(huán)控制單元的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。圖2中，In是指控制輸入，Out是指控制輸出，tdi是指設(shè)置在閉環(huán)反饋通道中的穩(wěn)定傳遞函數(shù)。
圖3為針對(duì)一個(gè)化工實(shí)施例，本發(fā)明(粗實(shí)線)和Wang方法(粗點(diǎn)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路過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了第2路過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(c)示出了第3路過程輸出響應(yīng)曲線。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中在過程參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)的情況下，本發(fā)明(粗實(shí)線)和Wang方法(粗點(diǎn)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路過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了第2路過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(c)示出了第3路過程輸出響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)作進(jìn)一步說明。
如圖1所示的本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)由以下幾部分組成n×n維解耦控制器矩陣Cs、n×n維閉環(huán)控制器矩陣Cf、n維對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr和兩個(gè)多路信號(hào)混合器(圖中的圓圈節(jié)點(diǎn))。其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)。第一個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程G的n維輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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Cs的n維輸出信號(hào)U，它的一組負(fù)極性輸入端連接閉環(huán)控制器矩陣Cf的n維輸出信號(hào)F，其一組輸出端連接被控過程G的n維輸入端。第二個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程G的n維輸出端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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被控過程G的n維輸出測(cè)量信號(hào)，它的一組負(fù)極性輸入端連接對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr的n維輸出端，其一組輸出端連接閉環(huán)控制器矩陣Cf的n維輸入端。
實(shí)際運(yùn)行如圖1所示的解耦控制系統(tǒng)時(shí)，首先將控制系統(tǒng)的n維多路給定值輸入信號(hào)R分別按照工作要求依次送入解耦控制器矩陣Cs，由其進(jìn)行運(yùn)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維輸入能量U，從而使n維多路控制系統(tǒng)輸出Y分別達(dá)到n維給定值輸入信號(hào)R的要求。當(dāng)有負(fù)載干擾信號(hào)混入被控過程G時(shí)，引起系統(tǒng)輸出Y發(fā)生變化，因此與由對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr提供的參考輸出信號(hào)Yr之間產(chǎn)生偏差E，由該偏差信號(hào)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制器矩陣Cf的n維輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的n維控制輸出信號(hào)F，將其送入到被控過程G的n維輸入端以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而能夠抵消和平衡由負(fù)載干擾信號(hào)引起的系統(tǒng)輸出變化和波動(dòng)，達(dá)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(shí)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(shí)滯有理部分，θij是純滯后時(shí)間，i，j＝1，2，...，n.。
下面給出本發(fā)明的兩自由度解耦控制系統(tǒng)中對(duì)角化參考傳函矩陣Hr的期望形式以及兩個(gè)控制器矩陣Cs和Cf的設(shè)計(jì)公式首先，記Gij為對(duì)應(yīng)于G中g(shù)ji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(xiàng)不含有時(shí)滯因子。顯然G-1＝[pij]n×n。定義Poij的逆相對(duì)階次為mij，也即它為最大的一個(gè)正整數(shù)，使得lims→∞smij-1poij=0]]>取Nri＝max{mij；j＝1，2，...，n.}；i＝1，2，…，n.(2)
θri＝max{Lij；j＝1，2，...，n.}；i＝1，2，…，n.(3)其次，記對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr＝diag[hri]，i＝1，2，…，n.，于是得到hri=e-θris(λcis+1)nriΠk=1l-zks+1zks+1,i=1,2,···,n.----(4)]]>其中，λci為可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)第i維系統(tǒng)輸出達(dá)到實(shí)際要求的響應(yīng)性能指標(biāo)，zk-1(k＝1，2，…，l)為det(G)中那些相異于Gij(i，j＝1，2，…，n.)的共同零點(diǎn)的復(fù)右半平面(RHP)零點(diǎn)，l是這些RHP零點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
需要說明，det(G)的RHP零點(diǎn)數(shù)可以通過判斷其奈魁斯特(Nyquist)曲線包圍原點(diǎn)的圈數(shù)確定，二者是相等的，因?yàn)閐et(G)不含有RHP極點(diǎn)。若det(G)含有無窮多個(gè)RHP零點(diǎn)并且只含有有限個(gè)復(fù)左半平面(LHP)的零點(diǎn)，則可以按照下式設(shè)計(jì)實(shí)際期望的對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣形式hri=e-θris(λcis+1)nri·φ(s)e(θmax-θmin)sφ(-s)Πk=1lzks+1-zks+1,i=1,2,···,n.----(5)]]>其中，zk-1(k＝1，2，…，l)為det(G)的LHP零點(diǎn)，l是這些LHP零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，θmin和θmax分別是det(G)的所有項(xiàng)中最小和最大的時(shí)滯因子，φ(s)由重組det(G)的形式得到，即令det(G)=φ(s)e-θminsψ(s)]]>其中ψ(s)是det(G)中所有項(xiàng)的最小公分母多項(xiàng)式。另外，若det(G)含有無窮多個(gè)RHP和LHP零點(diǎn)，則建議采用主導(dǎo)RHP零點(diǎn)來設(shè)計(jì)(4)式示出的期望系統(tǒng)參考傳函矩陣形式，根據(jù)頻域控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的非主導(dǎo)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的性能影響很小。至于det(G)的RHP零點(diǎn)的具體位置分布，可以直接通過對(duì)其采用數(shù)學(xué)算法公式或工具軟件包進(jìn)行求解來確定。
然后取
Ndi＝max{mji；j＝1，2，...，n.}；i＝1，2，…，n.(6)θdi＝max{Lji；j＝1，2，...，n.}；i＝1，2，…，n.(7)分別記兩個(gè)控制器矩陣為Cs＝[cij]n×n和Cf＝[cfij]n×n，i，j＝1，2，…，n.，針對(duì)det(G)可能含有RHP零點(diǎn)的不同情況，設(shè)計(jì)Cs＝[cij]n×n和Cf＝[cfij]n×n的實(shí)現(xiàn)形式如下表1所示。
表1兩個(gè)控制器矩陣的設(shè)計(jì)公式
由表1可見，解耦控制器矩陣Cs的每列控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λci(i＝1，2，…，n.)整定，閉環(huán)控制器矩陣Cf的每行控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λfi(i＝1，2，…，n.)整定。需要說明，表1中各行公式的D項(xiàng)因分子和分母中均含有時(shí)滯因子而非有理傳遞函數(shù)，所以難以物理構(gòu)造實(shí)現(xiàn)，并且可能存在復(fù)右半平面的零-極點(diǎn)對(duì)消，這會(huì)造成控制器輸出不穩(wěn)定。因此，下面給出其有理逼近公式來實(shí)際物理實(shí)現(xiàn)，即DU/V=Σk=0UakskΣk=0Vbksk----(8)]]>其中，U和V為實(shí)際指定的能夠滿足工作性能指標(biāo)的逼近階次，它們滿足約束條件U-V＝Nri+l(或U-V＝Ndi+l)，從而保證所得的控制器矩陣是物理正則的，多項(xiàng)式系數(shù)ak和bk由下面的兩個(gè)矩陣方程確定 其中，dk是表1中各行公式的D項(xiàng)的數(shù)學(xué)泰勒(Taylor)展開級(jí)數(shù)中的各項(xiàng)系數(shù)，即dk=1k!lims→0dkDdsk,k=0,1,···,U+V.----(11)]]>b0取為b0=1,bk≥0-1,bk<0----(12)]]>
需要指出，(12)式給出b0的選取規(guī)則是為了避免由式(8)得到的逼近公式含有RHP極點(diǎn)，由勞斯-赫爾維茨(Routh-Hurwitz)穩(wěn)定判據(jù)可知，這樣選取可以確保取V≤2時(shí)逼近公式的穩(wěn)定性，但不能保證取V≥3時(shí)的穩(wěn)定性，因此采用高階逼近公式時(shí)，需要先用Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)檢驗(yàn)其穩(wěn)定性，然后選取可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的高階逼近形式。實(shí)際中為了簡(jiǎn)便起見，可以首先選用低階逼近公式，然后在逼近精度和可達(dá)到的解耦控制性能指標(biāo)之間權(quán)衡，從而確定是否必要采用高階逼近。
需要說明，表1給出的兩個(gè)控制器矩陣的設(shè)計(jì)公式如今可以比較方便地在工控機(jī)和單片機(jī)等上數(shù)字離散化實(shí)現(xiàn)，計(jì)算步長(zhǎng)一般可取在0.01-0.1秒之間。
在線整定控制器矩陣Cs和Cf的可調(diào)參數(shù)λci和λfi(i＝1，2，…，n.)的規(guī)則可以初始整定λci在(5-10)θri(i＝1，2，…，n)范圍內(nèi)，λfi在(5-10)θdi(i＝1，2，…，n)范圍內(nèi)。調(diào)小解耦控制器矩陣Cs的整定參數(shù)λci(i＝1，2，…，n.)可以加快對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的標(biāo)稱響應(yīng)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(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要提供的能量也要增大，會(huì)傾向于超出它們的容量范圍，而且在面臨被控過程的未建模動(dòng)態(tài)特性時(shí)，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)λci會(huì)使對(duì)應(yīng)的系統(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(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)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(shí)際調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣Cs的整定參數(shù)λci時(shí)，應(yīng)在系統(tǒng)各路輸出響應(yīng)的標(biāo)稱性能與Cs的每列控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出容量之間權(quán)衡。類似地，調(diào)小閉環(huán)控制器矩陣Cf的整定參數(shù)λfi(i＝1，2，…，n.)可以加快對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出的負(fù)載干擾響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的負(fù)載干擾抑制性能，但是相應(yīng)所需的第i行控制器的輸出能量及其對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的能量要求增大，從而會(huì)降低控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，反之亦然。因此實(shí)際調(diào)節(jié)閉環(huán)控制器矩陣Cf的整定參數(shù)λfi時(shí)，應(yīng)在控制系統(tǒng)的負(fù)載干擾抑制性能與魯棒穩(wěn)定性以及Cf的每行控制器及其執(zhí)行機(jī)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(dòng)態(tài)特性，可以通過在線分別單調(diào)地增大Cs和Cf的可調(diào)參數(shù)λci和λfi(i＝1，2，…，n.)來增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，代價(jià)是系統(tǒng)的標(biāo)稱響應(yīng)性能和負(fù)載干擾響應(yīng)性能有所降低。如果這樣做仍不能達(dá)到符合工作要求的魯棒性能，說明被控過程辨識(shí)模型與實(shí)際過程偏差太遠(yuǎn)，需要重新進(jìn)行過程辨識(shí)，從而減小被控過程的未建模動(dòng)態(tài)來達(dá)到更好的控制效果。
例如對(duì)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)；其次，設(shè)計(jì)對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr的期望形式，可以驗(yàn)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(diǎn)。利用前面(2)-(3)式可以求得θr1＝0.8，θr2＝0.68，θr3＝1.85和Nr1＝Nr3＝1，Nr2＝2。因此，應(yīng)用設(shè)計(jì)公式(4)提出如下形式的系統(tǒng)參考傳函矩陣的對(duì)角元hr1=e-0.8sλc1s+1,hr2=e-0.68s(λc2s+1)2,hr3=e-1.85sλc3s+1;]]>然后應(yīng)用表1可以設(shè)計(jì)出解耦控制器矩陣Cs，這里為了便于同最近Wang方法的解耦控制系統(tǒng)對(duì)比，取與之相似的控制器階次進(jìn)行比較，從而得到c11=14543s2+256.3578s+0.5502(λc1s+1)(438.7353s+1)e-0.09s]]>
c21=12391s3+746.2116s2+9.7508s+0.0199(λc1s+1)(3940.3s2+447.8424s+1)]]>c31=1736.5s3-21.7287s2-0.8474s-0.002(λc1s+1)(4815.4s2+449.8302s+1)e-2.2s]]>c12=4773900s6-6620600s5-3286200s4-532380s3-41045s2-526.1791s-0.296(λc2s+1)2(611700s4+109510s3+12128s2+465.9313s+1)e-3.73s]]>c22=13471000s6+3306200s5+892990s4+117120s3+6709.9s2+142.0148s+0.3149(λc2s+1)2(336570s4+33465s3+9959.2s2+461.3811s+1)]]>c32=-197040s5-104730s4-29099s3-4024.9s2-171.9233s-0.374(λc2s+1)2(257300s4+55907s3+10254s2+461.9346s+1)e-2.2s]]>c13=400930s4+33536s3+1342.3s2+31.5279s+0.2638(λc3s+1)(33025s3+3869.9s2+447.5041s+1)e-1.79s]]>c23=16790s3+1582.9s2+39.2646s+0.0885(λc3s+1)(511.4853s2+440.0233s+1)]]>c33=2195s3+212.3057s2+5.2157s+0.01(λc3s+1)(1319.1s2+441.8636s+1)e-0.26s]]>接著設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器矩陣Cf，應(yīng)用前面(6)-(7)式可以求得θd1＝0.71，θd2＝1.85，θd3＝1.59和Nd1＝Nd3＝1，Nd2＝2。因此，由表1可以設(shè)計(jì)出Cf的每行控制器的形式為cf11=D1·14543s2+256.3578s+0.5502(λf1s+1)(438.7353s+1)]]>cf12=D1·-5757900s5-3439700s4-562940s3-41482s2-526.426s-0.296(λf1s+1)(615900s4+116360s3+12510s2+466.7655s+1)e-3.76s]]>cf13=D1·400930s4+33536s3+1342.3s2+31.5279s+0.2638(λf1s+1)(33025s3+3869.9s2+447.5041s+1)e-0.65s]]>
cf21=D2·12391s3+746.2116s2+9.7508s+0.0199(λf2s+1)2(3940.3s2+447.8424s+1)e-1.05s]]>cf22=D2·13471000s6+3306200s5+892990s4+117120s3+6709.9s2+142.0148s+0.3149(λf2s+1)2(336570s4+33465s3+9959.2s2+461.3811s+1)e-1.17s]]>cf23=D2·16790s3+1582.9s2+39.2646s+0.0885(λf2s+1)2(511.4853s2+440.0233s+1)]]>cf31=D3·1736.5s3-21.7287s2-0.8474s-0.002(λf3s+1)(4815.4s2+449.8302s+1)e-2.99s]]>cf32=D3·-197040s5-104730s4-29099s3-4024.9s2-171.9233s-0.374(λf3s+1)(257300s4+55907s3+10254s2+461.9346s+1)e-3.11s]]>cf33=D3·2195s3+212.3057s2+5.2157s+0.01(λf3s+1)(1319.1s2+441.8636s+1)]]>其中D1=11-td1,D2=11-td2,D3=11-td3;]]>td1=e-0.71sλf1s+1,td2=e-1.85s(λf2s+1)2,td3=e-1.59sλf3s+1.]]>上述D1、D2和D3可以用如圖2所示的閉環(huán)控制單元實(shí)現(xiàn)。
最后，分別初始整定解耦控制器矩陣Cs的調(diào)節(jié)參數(shù)λc1＝15，λc2＝13和λc3＝18，從而能夠得到系統(tǒng)各路輸出響應(yīng)的上升時(shí)間與Wang方法的解耦控制系統(tǒng)的基本相同，以便比較。同時(shí)取閉環(huán)控制器矩陣Cf的調(diào)節(jié)參數(shù)λf1＝12，λf2＝10和λf3＝15進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
需要說明，上面給出的兩個(gè)控制器矩陣形式可以比較方便地在工控機(jī)和單片機(jī)等上離散化實(shí)現(xiàn)，采樣控制步長(zhǎng)可取在0.01-0.1秒之間。
仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(hào)，并且在t＝600秒時(shí)加入幅值為0.1的階躍負(fù)載干擾信號(hào)到三路被控過程輸入端，被控過程輸出的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)示出了第1路過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了第2路過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(c)示出了第3路過程輸出響應(yīng)曲線。
由圖3可以看到，本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)(粗實(shí)線)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)稱系統(tǒng)的輸出響應(yīng)之間的近乎完全解耦。同時(shí)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(fù)載干擾信號(hào)的抑制性能明顯優(yōu)于Wang方法的解耦控制系統(tǒng)(粗點(diǎn)線)。
現(xiàn)在假設(shè)實(shí)際被控過程G的傳遞函數(shù)矩陣中所有的慣性時(shí)間常數(shù)均比其辨識(shí)模型的增大了40％，在這種嚴(yán)重的過程參數(shù)攝動(dòng)情況下進(jìn)行如上所述仿真實(shí)驗(yàn)，攝動(dòng)過程輸出響應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖4所示。其中，圖4(a)示出了第1路過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了第2路過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(c)示出了第3路過程輸出響應(yīng)曲線。
由圖4可以看到，本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)(粗實(shí)線)能夠良好地保證系統(tǒng)的給定值響應(yīng)和負(fù)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(diǎn)線)。
以上闡述的是本發(fā)明給出的兩自由度解耦控制系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)化工實(shí)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(shí)施例，由于本發(fā)明針對(duì)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(jì)解耦控制系統(tǒng)，所以能夠廣泛地適用于各種不同的化工多輸入多輸出生產(chǎn)過程。本發(fā)明的兩自由度解耦控制系統(tǒng)可以廣泛應(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)過程的兩自由度解耦控制系統(tǒng)，其特征在于由n×n維解耦控制器矩陣Cs、n×n維閉環(huán)控制器矩陣Cf、n維對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr和兩個(gè)多路信號(hào)混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)，第一個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程G的n維輸入端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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解耦控制器矩陣Cs的n維輸出信號(hào)U，它的一組負(fù)極性輸入端連接閉環(huán)控制器矩陣Cf的n維輸出信號(hào)F，其一組輸出端連接被控過程G的n維輸入端；第二個(gè)多路信號(hào)混合器設(shè)置在被控過程G的n維輸出端處，它有一組n維正極性輸入端，一組n維負(fù)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被控過程G的n維輸出測(cè)量信號(hào)，它的一組負(fù)極性輸入端連接對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr的n維輸出端，其一組輸出端連接閉環(huán)控制器矩陣Cf的n維輸入端。
2.如權(quán)利要求1的化工多變量生產(chǎn)過程的兩自由度解耦控制系統(tǒng)，其特征在于所述解耦控制器矩陣Cs和閉環(huán)控制器矩陣Cf都是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的，解耦控制器矩陣Cs的每列控制器和對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣Hr中相應(yīng)的對(duì)角元由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λci(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(duì)應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出yi(i＝1，2，...，n.)的時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)可以由λci單調(diào)地定量整定，閉環(huán)控制器矩陣Cf的每行控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λfi(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(duì)應(yīng)的第i維系統(tǒng)輸出yi的負(fù)載干擾響應(yīng)可以由λfi單調(diào)地定量整定。
全文摘要
一種化工多變量生產(chǎn)過程的兩自由度解耦控制系統(tǒng)，由n×n維解耦控制器矩陣、n×n維閉環(huán)控制器矩陣、n維對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣和兩個(gè)多路信號(hào)混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數(shù)。系統(tǒng)給定值響應(yīng)由解耦控制器矩陣以開環(huán)控制方式調(diào)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)代模型預(yù)測(cè)控制方式，利用由對(duì)角化系統(tǒng)參考傳函矩陣提供的參考輸出信號(hào)與實(shí)際被控過程的輸出測(cè)量信號(hào)之間的偏差量作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信息，經(jīng)閉環(huán)控制器矩陣運(yùn)算處理后，送入被控過程的n維輸入調(diào)節(jié)裝置以進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負(fù)載干擾信號(hào)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(shí)際被控過程的建模誤差以及過程參數(shù)攝動(dòng)。
文檔編號(hào)G05B13/00GK1664726SQ20051002441
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者劉濤, 張衛(wèi)東, 顧誕英, 蔡云澤 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)