專利名稱：工業(yè)多變量時滯過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，具體是一種具多時滯的工業(yè)多變量過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，屬于工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越復雜，對控制的要求越來越高。為了實現(xiàn)高效生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，很多過程都被構(gòu)造成高維多變量過程，多變量過程是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一類過程。由于多變量過程的各路輸出具有傳輸和檢測時滯，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)輸出響應性能。因此，如何實施多時滯補償和解耦控制是目前的研究和應用難題。
對于多變量系統(tǒng)之間的耦合，首選的方法是通過采用被控變量和操縱變量之間的適當匹配來克服，其中最具有代表性的方法是相對增益配對法。但對于關(guān)聯(lián)較為嚴重的系統(tǒng)，往往即使采用最好的變量配對關(guān)系也不能達到滿意的解耦效果，這時就必須在系統(tǒng)中加入一個解耦網(wǎng)絡(或稱補償網(wǎng)絡)來進行解耦，使強耦合對象變成無耦合或弱耦合的控制對象。目前工業(yè)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)響應階段的耦合效應，使得各路系統(tǒng)輸出的動態(tài)耦合仍然嚴重，從而導致控制質(zhì)量不高。在時滯補償方面，具代表性的是O.J.Smith提出的預估結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，使控制品質(zhì)大大提高，但是，其最大的缺點是太過依賴精確的數(shù)學模型，當估計模型和實際對象有誤差時，控制品質(zhì)會顯著惡化，甚至發(fā)散，而且對于外部擾動非常敏感，魯棒性較差。所以常規(guī)Smith預估控制結(jié)構(gòu)難以在實際中得到真正的應用。為解決這個問題，很多學者提出了基于常規(guī)Smith預估控制結(jié)構(gòu)的改進方法。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，具有代表性的針對具多時滯的工業(yè)多變量過程的Smith預估控制方案是國際著名的Wang Q.-G.教授在文獻《DecouplingSmith predictor design for multivariable systems with multiple timedelays》(具多時滯的多變量系統(tǒng)的解耦Smith預估器設(shè)計，發(fā)表在ChemicalEngineering Research and Design，Transactions of the Institute ofChemical Engineers，化學工程學會會刊化工工程研究與設(shè)計，2000，78，565-572.)中，提出先采用解耦器解耦控制對象，然后針對解耦后的過程設(shè)計多個單變量Smith預估控制系統(tǒng)的方法，雖然得到了顯著改進的控制效果，但是建立解耦器時往往要采取模型降階的近似處理，這導致被控過程不能完全解耦而得到一個對角矩陣，使解耦過程與提出的期望解耦模型之間不能實現(xiàn)精確匹配，因而無法得到理想的性能。而且，該控制結(jié)構(gòu)不能分別獨立地優(yōu)化各路系統(tǒng)給定值響應及其負載干擾響應，然而目前工業(yè)生產(chǎn)實踐中對解決這個難題具有強烈的期望。最近，S.P.Hung教授在文獻《Decoupling Multivariable Controlwith Two Degrees of Freedom》(雙自由度解耦多變量控制，發(fā)表在IndustrialEngineering Chemical Research化工工程研究刊物，2006，45，3161-3173.)中提出了一個兩自由度解耦控制系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了各路系統(tǒng)給定值響應及其負載干擾響應的解耦，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)運算量相當大，不便于實際推廣應用和在線調(diào)節(jié)。需要指出，其它的針對具多時滯的工業(yè)多變量過程的Smith預估控制方案都是在假設(shè)過程模型滿足一定約束條件下提出的，因而無法在實際工業(yè)生產(chǎn)中應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種工業(yè)多變量時滯過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)有效補償系統(tǒng)時滯對系統(tǒng)性能的影響，同時實現(xiàn)標稱系統(tǒng)各路輸出響應之間的顯著解耦，實現(xiàn)各路系統(tǒng)給定值響應及其負載干擾響應的相互獨立調(diào)節(jié)，并且實現(xiàn)在線單參數(shù)化調(diào)節(jié)控制器，以保證操作簡捷和方便，可以廣泛地應用于各種不同的工業(yè)多輸入多輸出生產(chǎn)工藝過程。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明由以下幾部分組成n維設(shè)定點跟蹤控制器、n維擾動估計器、被控過程辨識模塊和兩個多路信號混合器。其中n是被控多變量過程的維數(shù)。第一個多路信號混合器設(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設(shè)定點跟蹤控制器的n維輸出信號，它的一組負極性輸入端連接擾動估計器的n維輸出信號，另一組輸出端連接被控過程的n維輸入端。第二個多路信號混合器設(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維輸出測量信號，它的一組負極性輸入端連接被控過程辨識模塊的n維輸出端，另一組輸出端連接擾動估計器矩陣的n維輸入端。設(shè)定點跟蹤控制器的輸出信號分成兩路，一路送給第一個多路信號混合器的正極性輸入端，另一路送入被控過程辨識模塊的輸入端。
設(shè)定點跟蹤控制器的功能是對系統(tǒng)給定值輸入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維輸出達到各路給定值的要求。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。擾動估計器的功能是對檢測到的被控過程的各路輸出偏差信號進行處理和運算，從而調(diào)節(jié)被控過程的n維輸入量大小，達到消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負載干擾信號的目的。擾動估計器的可執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括中間級被控過程辨識模塊，修正擾動濾波器和一個中間級多路信號混合器。中間級多路信號混合器設(shè)置在修正擾動濾波器的n維輸入端處，它有兩組n維正極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接擾動估計器的n維輸入信號，它的另一組正極性輸入端連接中間級被控過程辨識模塊的n維輸出信號，另一組輸出端連接修正擾動濾波器的n維輸入端；修正擾動濾波器的n維輸出連接到過程參考模型的n維輸入端。
實際運行時，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藝要求依次送入設(shè)定點跟蹤控制器，由其進行運算處理和放大，提供被控n維多變量過程工作所需要的n維多路輸入能量，從而使n維控制系統(tǒng)輸出分別達到n維給定值輸入信號的要求。當有負載干擾信號混入被控過程時，系統(tǒng)輸出發(fā)生變化，由此產(chǎn)生實際系統(tǒng)輸出與被控過程辨識模塊輸出信號之間的偏差。該偏差信號送入擾動估計器的n維輸入端，擾動估計器對其進行處理并產(chǎn)生n維控制輸出信號，該輸出信號送入到被控過程的n維輸入端進行調(diào)節(jié)，從而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。
所述設(shè)定點跟蹤控制器，是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標設(shè)計的，能實現(xiàn)標稱系統(tǒng)輸出響應解耦最優(yōu)，標稱系統(tǒng)輸出響應傳遞函數(shù)滿足對角形式，同時，設(shè)定點跟蹤控制器的每列控制器和標稱系統(tǒng)輸出響應傳遞函數(shù)中相應的對角元素由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λcjj整定，可以在線單調(diào)地調(diào)節(jié)，由此使得對應的第j個系統(tǒng)輸出的時域響應指標由λcjj單調(diào)地定量整定，同時，擾動估計器的每列控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)λfjj整定，可以在線單調(diào)調(diào)節(jié)，從而使得對應的第j個系統(tǒng)輸出的負載干擾響應由λfjj單調(diào)地定量整定。
本發(fā)明的基本思想是系統(tǒng)給定值響應采用開環(huán)控制方式，通過在前向輸入通道上采用一個低階有理正則的控制器矩陣來鎮(zhèn)定工業(yè)多變量時滯過程，從而避免了與后面用于抑制負載干擾的控制閉環(huán)之間產(chǎn)生耦合作用，即實現(xiàn)了系統(tǒng)給定值響應與負載干擾響應之間的完全解耦，同時利用內(nèi)?？刂破髟O(shè)計方法針對被控過程模型中“無時滯”部分設(shè)計設(shè)定點跟蹤控制器，從而有效消除了系統(tǒng)時滯對系統(tǒng)性能的影響，并能保證控制系統(tǒng)的給定值響應達到解耦最優(yōu)。用于抑制過程負載干擾信號的控制內(nèi)環(huán)設(shè)置在過程負載干擾信號輸入端與輸出端之間，利用實際過程的輸出測量信號與被控過程辨識模塊輸出信號之間的偏差量作為過程負載干擾信號的反饋調(diào)節(jié)信息量，送入設(shè)置在控制內(nèi)環(huán)反饋通道上的擾動估計器，經(jīng)擾動估計器運算處理后，將得到的估計信號送給被控過程的輸入調(diào)節(jié)裝置以進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負載干擾信號的目的。
本發(fā)明提出的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是1.能夠有效補償系統(tǒng)時滯對系統(tǒng)輸出的影響，從而顯著提高系統(tǒng)性能；2.能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)輸出響應之間的顯著解耦，并能夠分別優(yōu)化控制系統(tǒng)各路輸出的給定值響應和負載干擾響應；3.設(shè)定點跟蹤控制器矩陣和擾動估計器矩陣中的每列子控制器均為單參數(shù)整定且都由同一參數(shù)整定，因而可以實現(xiàn)在線單調(diào)地定量調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定點跟蹤性能和系統(tǒng)標稱性能及系統(tǒng)抗擾動性能；4.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)明給出的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性和實用性，能夠在實際工業(yè)應用中表現(xiàn)出先進的控制效果。


圖1為本發(fā)明的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)的方框原理圖。
圖1中，G(s)是指n維被控多變量多時滯過程，C(s)是指n維設(shè)定點跟蹤控制器，F(xiàn)(s)是指n維擾動估計器，Gm(s)是指被控過程辨識模塊，圖中的圓圈節(jié)點是指多路信號混合器，r是指n維系統(tǒng)給定值輸入信號，y是指n維系統(tǒng)輸出，u是指C(s)的n維輸出信號， 是指F(s)的n維輸出信號，d是指負載干擾信號，v是指實際被控過程的n維輸出測量信號與被控過程辨識模塊n維輸出之間的偏差信號。
圖2為本發(fā)明中提出的擾動估計器的可執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，v是指實際被控過程的n維輸出測量信號與被控過程辨識模塊n維輸出之間的偏差信號， 是指擾動估計信號，Gm(s)是指中間級被控過程辨識模塊，Gmo(s)Ffo(s)是修正擾動濾波器，F(xiàn)fo(s)是指擾動濾波器。
圖3為精餾塔對象在標稱情況下對于兩路單位階躍給定值輸入信號和幅值為0.1的反向階躍負載干擾信號所得到的輸出閉環(huán)響應示意圖。
其中，圖3(a)示出了第一個過程輸出的響應曲線，圖3(b)示出了第二個過程輸出的響應曲線。實線表示本發(fā)明，點線表示Hung方法。
圖4為精餾塔對象在有乘性不確定性情況下對于兩路單位階躍給定值輸入信號和幅值為0.1的反向階躍負載干擾信號所得到的輸出閉環(huán)響應示意圖。
其中，圖4(a)示出了第一個過程輸出的響應曲線，圖4(b)示出了第二個過程輸出的響應曲線。實線表示系統(tǒng)在有乘性輸入不確定性情況下，沒有調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的輸出響應曲線，點線表示系統(tǒng)在有乘性輸入不確定性情況下，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)后的輸出響應曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例如圖1所示的解耦Smith預估控制系統(tǒng)由以下幾部分組成被控多變量多時滯過程G(s)，n維設(shè)定點跟蹤控制器C(s)，n維擾動估計器F(s)，被控過程辨識模塊Gm(s)和兩個多路信號混合器(圖中的圓圈節(jié)點).其中，第一個多路信號混合器設(shè)置在被控過程G(s)的n維輸入端處，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設(shè)定點跟蹤控制器C(s)的n維輸出信號，它的一組負極性輸入端連接擾動估計器F(s)的n維輸出信號，另一組輸出端連接被控過程G(s)的n維輸入端。第二個多路信號混合器設(shè)置在被控過程G(s)的n維輸出端處，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被控過程G(s)的n維輸出測量信號，它的一組負極性輸入端連接被控過程辨識模塊Gm(s)的n維輸出端，另一組輸出端連接擾動估計器矩陣F(s)的n維輸入端。設(shè)定點跟蹤控制器C(s)的輸出信號分成兩路，一路送給第一個多路信號混合器的正極性輸入端，另一路送入被控過程辨識模塊Gm(s)的輸入端。擾動估計器的可執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括中間級被控過程辨識模塊Gm(s)，修正擾動濾波器Gmo(s)Ffo(s)和一個中間級多路信號混合器。中間級多路信號混合器設(shè)置在修正擾動濾波器Gmo(s)Ffo(s)的n維輸入端處，它有兩組n維正極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接擾動估計器F(s)的n維輸入信號，它的另一組正極性輸入端連接中間級被控過程辨識模塊Gm(s)的n維輸出信號，另一組輸出端連接修正擾動濾波器Gmo(s)Ffo(s)的n維輸入端；修正擾動濾波器Gmo(s)Ffo(s)的n維輸出連接到中間級過程參考模型Gm(s)的n維輸入端。
實際運行本實施例的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)給定值輸入信號r送入設(shè)定點跟蹤控制器C(s)，設(shè)定點跟蹤控制器C(s)放大和平滑給定值輸入信號r，提供被控多變量多時滯過程G(s)工作所需要的輸入能量u，從而使被控多變量多時滯過程G(s)的輸出達到給定值信號r的要求。設(shè)定點跟蹤控制器C(s)的輸出信號u分成兩路，一路送給實際被控過程G(s)，另一路送入被控過程辨識模塊Gm(s)的輸入端。同時，實際被控過程G(s)的輸出y的檢測信號與被控過程辨識模塊Gm(s)的輸出信號送入第二個多路信號混合器進行求差運算，所得偏差量信號v送入控制內(nèi)環(huán)的擾動估計器F(s)，經(jīng)控制內(nèi)環(huán)的擾動估計器F(s)處理放大后以負反饋的形式送入實際被控過程G(s)的輸入端，從而調(diào)節(jié)實際被控過程G(s)的輸入控制量u的大小，達到消除混入的負載干擾信號d對被控過程P1輸出的目的。
實際中通常用如下頻域數(shù)學表達形式來描述上述被控工業(yè)多變量時滯過程 其中g(shù)ij(s)=goij(s)e-θijs,]]>它是指從被控過程的第i個輸入到第j個輸出的傳遞函數(shù)，g0ij(s)是其穩(wěn)定正則的有理傳遞函數(shù)部分，θij是其相應的過程傳輸時滯，下面給出設(shè)定點跟蹤控制器C(s)，擾動估計器F(s)的設(shè)計公式(1)首先對具多時滯的工業(yè)多變量過程的傳遞函數(shù)矩陣辨識模型進行分解，分解形式如下G(s)＝GD(s)Gmo(s)＝GA(s)GN(s)Gmo(s)(2)其中，GA(s)=diag{e-θjjs}···(3)]]>其中θjj取為G-1(s)的第j列中最大預估值。
GN(s)=diag{Πr=1r1(-s+zrjs+zrj)krj}···(4)]]>其中zrj是G-1(s)的第j列中不穩(wěn)定的極點，kij是GO-1(s)的第j列中不穩(wěn)定極點zrj的最大個數(shù)。
GD(s)＝GA(s)GN(s) (5)Gmo(s)=GD-1(s)G(s)···(6)]]>(2)設(shè)計擾動濾波器為如下形式Ffo(s)=diag{1(λfjjs+1)nj}···(7)]]>其中，λfjj為可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)第j路系統(tǒng)輸出達到實際要求的抗擾動性能。
(3)由步驟(1)和(2)，擾動估計器F(s)設(shè)計為如下形式F(s)=(I-G(s)Gmo-1(s)Fo(s))-1Gmo-1(s)Fo(s)]]>=(I-GD(s)Fo(s))-1Gmo-1(s)Fo(s)···(8)]]>其中nj表示Gmo-1(s)的最大相對階次。從表達式(8)可以看出，提出的擾動估計器能夠采用附圖2中所示的結(jié)構(gòu)方便的實現(xiàn)。需要指出，如果Gmo-1(s)Fo(s)不能物理實現(xiàn)，可以使用有理近似技術(shù)對其進行近似，具體見下面的分析。
(4)設(shè)計設(shè)定點跟蹤濾波器為如下形式Fco(s)=diag{1(λcjjs+1)nj}···(9)]]>其中，λcjj為可調(diào)參數(shù)，用于調(diào)節(jié)第j路系統(tǒng)輸出達到實際要求的設(shè)定點跟蹤性能。
(5)由步驟(1)和(5)，設(shè)定點跟蹤控制器C(s)設(shè)計為如下形式C(s)=Gmo-1(s)Fco(s)···(10)]]>在上述設(shè)計過程中，存在以下特殊情況，即如果對象傳遞函數(shù)矩陣分解后Gmo(s)中仍然含有時滯項，這將導致設(shè)計的控制器是無理形式，從而無法物理實現(xiàn)，這時可以使用近似技術(shù)對該控制器進行有理近似，具體步驟如下首先，對Gmo-1(s)進行分解，分解形式如下Gmo-1(s)=G~mo-1(s)Gr(s)···(11)]]>其中Gr(s)是Gmo-1(s)中可分解的有理部分，它可以直接根據(jù)Gmo-1(s)的表達式獲得。然后，對 進行有理近似，近似形式如下G~mo-1(s)=Σi=0UαisiΣj=0Vβjsj···(12)]]>其中U和V是由用戶根據(jù)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的參數(shù)。U和V的取值越大，表示該有理近似的誤差越小，系統(tǒng)性能越好。通常U和V可以取為1或2。參數(shù)αi和βj可以根據(jù)下面兩個方程方便的確定，
α0α1···αU=d00···0d1d0···0············dUdU-1···dU-Vβ0β1···βV···(13)]]> 其中dk(s)=1k!lims→0dkG~mo-1(s)dsk···(15)]]>βo=1,(βj≥0)-1,(βj<0)···(16)]]>需要說明，給出的設(shè)定點跟蹤控制器和擾動估計器的設(shè)計公式可以方便地在工控機和單片機等上數(shù)字離散化實現(xiàn)，采樣時間一般可取在0.01-0.1秒之間。本實施例中設(shè)計得到的設(shè)定點跟蹤控制器矩陣的每列控制器由同一調(diào)節(jié)參數(shù)整定，擾動估計器矩陣的每列控制器也由同一調(diào)節(jié)參數(shù)整定。在線整定C(s)和F(s)的可調(diào)參數(shù)λcjj和λfjj的規(guī)則是可以初始整定λcjj和λfjj在(5-10)θjj范圍內(nèi)。調(diào)小C(s)的整定參數(shù)λcjj可以加快對應的系統(tǒng)輸出響應速度，提高控制系統(tǒng)的標稱響應性能，但是相應所需的第j列控制器的輸出能量要增大，并且它們對應的執(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，而且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)λfjj會使對應的系統(tǒng)輸出響應變緩，但是所要求的第j列控制器的輸出能量減小，并且對應的執(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。因此實際調(diào)節(jié)設(shè)定點跟蹤控制器的整定參數(shù)λcjj時，應在系統(tǒng)各路輸出響應的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。類似地，實際調(diào)節(jié)擾動估計器的整定參數(shù)λfjj時，應在控制系統(tǒng)的負載干擾抑制性能與魯棒穩(wěn)定性以及每行控制器及其執(zhí)行機構(gòu)的輸出容量之間權(quán)衡。
考察一個廣泛研究采用的化工烴化物分餾塔過程G(s)=12.8e-s16.7s+1-18.9-3s21s+16.6e-7s10.9s+1-19.4e-3s14.4s+1]]>應用本發(fā)明的解耦Smith預估控制結(jié)構(gòu)，首先按照附圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)造控制系統(tǒng)；然后進行控制器的設(shè)計和整定第一步、應用公式(2)-(6)獲得分解因子，具體如下GD(s)=e-s00e-3s]]>Gmo(s)=12.816,7s+1-18.9e-2s21s+16.6e-3s10.9s+1-19.414.4s+1]]>第二步、應用公式(7)得到擾動估計器F(s)=Fo(s)1-G(s)Fo(s)]]>其中Fo(s)=D-1(s)(16.7s+1)12.8(λf11s+1)18.9(16.7s+1)(14.4s+1)(21s+1)(λf22s+1)e-2s-6.6(16.7s+1)(14.4s+1)(10.9s+1)(λf11s+1)e-4s(14.4s+1)-19.4(λf22s+1)]]>D(s)=1-0.5023(14.4s+1)(16.7s+1)(21s+1)(10.9s+1)e-6s]]>應用公式(8)得到設(shè)定點跟蹤控制器
C(s)=G-1(s)Ts(s)]]>=(16.7s+1)12.8(λc1s+1)18.9(16.7s+1)(14.4s+1)(21s+1)(λc2s+1)e-2s-6.6(16.7s+1)(14.4s+1)(10.9s+1)(λc1s+1)e-4s(14.4s+1)-19.4(λc2s+1)D(s)]]>從以上控制器形式可以看出要實施該控制器，必須采用很復雜的控制結(jié)構(gòu)，所以使用線性近似技術(shù)來簡化計算并保持設(shè)計要求，根據(jù)近似公式(9)-(14)，控制器中無理部分D(s)可近似如下D(s)=74.9789s2+16.066s+0.497736.6518s2+25.419s+1]]>以上過程按照階次為2進行降階的，如果階次選擇越大，設(shè)計精度越高，但是導致控制器復雜程度越大。
第三步、按照附圖1所示的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖組建一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中擾動估計器按照圖2組建。實際運行該解耦Smith預估控制系統(tǒng)時，只需要將n維多路給定值輸入信號分別按照工作要求依次送入設(shè)定點跟蹤控制器，設(shè)定點跟蹤控制器會對其運算處理和放大，并提供給被控多變量時滯過程G(s)工作所需要的n維輸入能量，從而使n維多路控制系統(tǒng)輸出分別達到n維給定值跟蹤要求。當有負載干擾信號混入被控過程G(s)時，系統(tǒng)輸出發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的與由被控過程辨識模塊提供的參考輸出信號之間的偏差會被送入擾動估計器F(s)的n維輸入端，F(xiàn)(s)產(chǎn)生相應變化并將n維擾動估計信號送入到被控過程G(s)的n維輸入端以進行調(diào)節(jié)，從而逐步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。
第四步、在線調(diào)節(jié)設(shè)定點跟蹤控制器和擾動估計器，觀察系統(tǒng)閉環(huán)響應，由此確定最佳控制器參數(shù)。仿真實驗時，先在t＝0秒時刻給第一路輸入量加入單位階躍輸入信號r1＝1/s，而第二路輸入信號為r2＝0，然后在t＝100秒時刻給第二路輸入也都加入單位階輸入信號，再在t＝200秒時給兩路被控過程輸入端都加入幅值為0.1的反向階躍輸入。為獲得與Hung方法中得到的響應曲線相同的響應速度，這里設(shè)定λc11＝3.8，λc22＝3.5，λf11＝2.0 and λf22＝2.0，所得到的系統(tǒng)閉環(huán)響應曲線為圖3中所示。從圖3中可以看出，本實施例給出的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)(實線)實現(xiàn)了標稱系統(tǒng)的輸出響應之間的近乎完全解耦。同時可以看到，系統(tǒng)輸出的給定值響應和負載干擾信號的抑制性能明顯優(yōu)于Hung方法的兩自由度預估控制系統(tǒng)(點線)。
現(xiàn)在假設(shè)實際被控過程G(s)存在乘性輸入不確定性ΔI＝diag{(s+0.3)/(s+1)，(s+0.3)/(s+1)}。這里ΔI可以近似地物理解釋為，被控過程的兩個輸入調(diào)節(jié)閥在高頻段具有高達100％的不確定性，并且在低頻段工作范圍具有將近30％的不確定性。在這種嚴重的過程輸入不確定性下進行如上所述仿真實驗，本實施例給出的控制器的整定方法所得到的過程輸出響應的計算機仿真結(jié)果如附圖4所示。由圖4可以看到，本實施例給出的控制器的整定方法(實線)能夠良好地保證系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應的魯棒穩(wěn)定性。此外可以看到，單調(diào)的增加設(shè)定點跟蹤控制器中的控制參數(shù)(λc11＝6.8，λc22＝6.5)，系統(tǒng)給定值響應的振蕩減小，如圖4中的點線所示，同時，單調(diào)地增大擾動估計控制器中的調(diào)節(jié)參數(shù)(λf11＝6.2 and λf22＝6.9)，過程輸出的抗擾動響應速度變慢了，如圖4中的點線所示，但此時系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定裕度變大了。
需要指出，在不超出本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容所涉及范圍的前提下對其可作種種變形加以實施。由于本發(fā)明針對一般具多時滯的工業(yè)多變量過程辨識模型給出了設(shè)定點跟蹤控制器和擾動估計器的設(shè)計方法，所以適用于各種不同的含有時滯的多輸入多輸出生產(chǎn)過程。本發(fā)明給出的雙自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)可廣泛應用于石化、冶金、醫(yī)藥、建材和紡織等行業(yè)的生產(chǎn)過程。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)多變量時滯過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，包括n維設(shè)定點跟蹤控制器、n維擾動估計器，被控過程辨識模塊和兩個多路信號混合器，其特征在于其中n是被控多變量過程的維數(shù)，第一個多路信號混合器設(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設(shè)定點跟蹤控制器的n維輸出信號，它的一組負極性輸入端連接擾動估計器的n維輸出信號，另一組輸出端連接被控過程的n維輸入端；第二個多路信號混合器設(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維輸出測量信號，它的一組負極性輸入端連接被控過程辨識模塊的n維輸出端，另一組輸出端連接擾動估計器矩陣的n維輸入端，設(shè)定點跟蹤控制器的輸出信號分成兩路，一路送給第一個多路信號混合器的正極性輸入端，另一路送入被控過程辨識模塊的輸入端；設(shè)定點跟蹤控制器對系統(tǒng)給定值輸入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維輸出達到各路給定值的要求，擾動估計器對檢測到的被控過程的各路輸出偏差信號進行處理和運算，從而調(diào)節(jié)被控過程的n維輸入量大小，達到消除系統(tǒng)輸出偏差以及抑制負載干擾信號的目的，多路信號混合器將兩組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。
2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)多變量時滯過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，其特征是所述的擾動估計器，其可執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括中間級被控過程辨識模塊，修正擾動濾波器和一個中間級多路信號混合器，中間級多路信號混合器設(shè)置在修正擾動濾波器的n維輸入端處，它有兩組n維正極性輸入端和一組n維輸出端，它的一組正極性輸入端連接擾動估計器的n維輸入信號，它的另一組正極性輸入端連接中間級被控過程辨識模塊的n維輸出信號，另一組輸出端連接修正擾動濾波器的n維輸入端；修正擾動濾波器的n維輸出連接到過程參考模型的n維輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)多變量時滯過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，其特征是所述設(shè)定點跟蹤控制器，是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標設(shè)計的，設(shè)定點跟蹤控制器的每列控制器包含同一調(diào)節(jié)參數(shù)λcjj，用于調(diào)節(jié)第j路系統(tǒng)輸出達到實際要求的設(shè)定點跟蹤性能，通過在線單調(diào)地調(diào)節(jié)λcjj可實現(xiàn)定量調(diào)節(jié)第j個系統(tǒng)輸出的時域響應指標；所述的擾動估計器的每列控制器包含同一調(diào)節(jié)參數(shù)λfjj，用于調(diào)節(jié)第j路系統(tǒng)輸出達到實際要求的抗擾動性能，通過在線單調(diào)地調(diào)節(jié)λfjj可實現(xiàn)定量調(diào)節(jié)第j個系統(tǒng)輸出的負載干擾響應，在線整定可調(diào)參數(shù)λcjj和λfjj的規(guī)則是初始整定λcjj和λfjj在(5-10)θjj范圍內(nèi)，調(diào)小調(diào)節(jié)參數(shù)λcjj可加快對應的系統(tǒng)輸出響應速度，提高控制系統(tǒng)的標稱響應性能，但是不利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；增大整定參數(shù)λfjj會使對應的系統(tǒng)輸出響應變緩，但是有利于提高控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。
全文摘要
一種具多時滯的工業(yè)多變量過程的兩自由度解耦Smith預估控制系統(tǒng)，由n維設(shè)定點跟蹤控制器、n維擾動估計器，被控過程辨識模塊和兩個多路信號混合器組成，其中n是被控多變量過程的維數(shù)。通過在過程輸入和輸出之間設(shè)置內(nèi)部控制回路并添加擾動估計器，混入過程的負載干擾信號被有效抑制，從而可獲得平穩(wěn)的過程輸出。系統(tǒng)給定值響應由設(shè)定點跟蹤控制器以開環(huán)控制方式調(diào)節(jié)，從而使控制系統(tǒng)的給定值響應和過程負載干擾響應能夠分別獨立地調(diào)節(jié)。同時，還能夠有效補償系統(tǒng)時滯對系統(tǒng)性能的影響。本發(fā)明的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)標稱系統(tǒng)各路輸出響應之間的顯著解耦，并保持良好的魯棒穩(wěn)定性，可以在較大范圍內(nèi)適應實際被控過程的建模誤差以及過程參數(shù)攝動。
文檔編號G05B13/04GK1945470SQ20061011788
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者劉媛媛, 張衛(wèi)東, 陳培穎, 顧誕英, 蔡云澤 申請人:上海交通大學