基于等價傳遞函數(shù)的多變量控制系統(tǒng)分析與設(shè)計.pdf

1、由于大多數(shù)的工業(yè)過程都可以描述成多變量系統(tǒng)，因此，多變量控制系統(tǒng)一直是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中的研究熱點之一。工業(yè)過程中常用的控制策略，比如分散PI/PID控制和解耦控制，都因為其便利的現(xiàn)場調(diào)試操控性而得到了廣泛的應(yīng)用。對于耦合不嚴重的多變量系統(tǒng)，在合理配對的前提下，分散控制就可以得到滿意的控制性能。而對于耦合嚴重的多變量系統(tǒng)，解耦控制策略則更加適合。如何真正有效地解除多變量回路之間的耦合作用，將復(fù)雜的多變量控制問題轉(zhuǎn)換成簡單的單變量控制問題

2、，一直是工程師和學(xué)者們思索的焦點。本文在等價傳遞函數(shù)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)典單變量PID控制技術(shù)，對多變量控制系統(tǒng)進行深入分析，并進行多變量控制系統(tǒng)設(shè)計研究，大量的數(shù)學(xué)仿真和實驗結(jié)果表明本論文提出的方法是簡單有效的，在工業(yè)過程領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　本論文的主要內(nèi)容包括:
　　1)系統(tǒng)闡述了多變量系統(tǒng)等價傳遞函數(shù)的概念、含義和性質(zhì)，以及等價傳遞函數(shù)模型的參數(shù)化方法，在此基礎(chǔ)上提出一種基于特性序列的等價傳遞函數(shù)的參數(shù)化方法

3、，定義了特性序列來描述過程的動態(tài)特性，推導(dǎo)出了開環(huán)的特性序列和等價傳遞函數(shù)的特性序列之間的關(guān)系，并根據(jù)特性序列和模型參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系建立方程組，可以求解出等價傳遞函數(shù)的模型參數(shù)。另外，本文還給出了幾類特殊的多變量過程的等價傳遞函數(shù)模型參數(shù)化方法。
　　2)提出基于等價傳遞函數(shù)的多變量系統(tǒng)集中式PI/PID控制器設(shè)計。集中式多變量控制器結(jié)構(gòu)中的每個PI/PID控制器元素都是分開獨立地針對每一個等價傳遞函數(shù)描述的單變量過程設(shè)計，可以

4、保證在滿足各個單變量控制目標的同時滿足整個多變量系統(tǒng)的控制目標。因此，與分散式PI/PID控制器相比，集中式PI/PID控制器可以提供更好的總體控制性能。
　　3)提出基于等價傳遞函數(shù)矩陣的多變量系統(tǒng)解耦控制器設(shè)計方法。根據(jù)控制器結(jié)構(gòu)的不同，又分為兩種:一種是一體式或全矩陣結(jié)構(gòu)的解耦控制器，解耦控制器由閉環(huán)期望傳遞函數(shù)矩陣和等價傳遞函數(shù)矩陣綜合推導(dǎo)得到;另外一種是分體式的解耦控制器，由解耦器和PI/PID控制器兩部分組成。首先，利

5、用等價傳遞函數(shù)矩陣和傳遞函數(shù)逆陣之間的關(guān)系，選擇合理的解耦后的前向通道的期望傳遞函數(shù)矩陣，可以直接推導(dǎo)出解耦控制器的解析形式。接著，運用經(jīng)典的單回路PI/PID控制器設(shè)計方法，針對開環(huán)期望傳遞函數(shù)矩陣的元素分別設(shè)計PI/PID控制器，組成多變量系統(tǒng)的分散控制器。
　　4)提出基于等價傳遞函數(shù)矩陣的多變量系統(tǒng)部分解耦控制器設(shè)計方法，該方法和解耦控制器設(shè)計方法的不同點主要在于，解耦器結(jié)構(gòu)的不同。部分解耦器主要考慮在控制性能和控制結(jié)構(gòu)的

6、復(fù)雜程度之間的折衷，引入了結(jié)構(gòu)選擇標準，在不影響控制性能的前提下盡可能地簡化解耦器的結(jié)構(gòu)。另外，該方法還分析了等價傳遞函數(shù)矩陣和傳遞函數(shù)逆陣之間的近似等價關(guān)系對總體控制性能可能帶來的消極影響，為了避免這種影響，引入了對等價傳遞函數(shù)模型參數(shù)的約束，從而保證了等價傳遞函數(shù)的合理性。
　　5)針對提出的兩種解耦控制器的設(shè)計方法，分別設(shè)計了兩個仿真平臺驗證實驗:雙容液位控制實驗和中央空調(diào)恒溫控制實驗。無論數(shù)學(xué)仿真還是實物仿真結(jié)果，均驗證了