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文檔簡介
1、近些年來,在流程控制領(lǐng)域,通過對生產(chǎn)過程進(jìn)行機(jī)理分析并建模,得到了一類新的過程。此類過程由兩個或兩個以上的組合積分環(huán)節(jié)組成,我們稱其為組合積分過程。組合積分過程在流程工業(yè)中廣泛存在,但至今尚未引起廣大工程技術(shù)人員和研究學(xué)者的關(guān)注。目前,流程工業(yè)中的組合積分過程大多采用傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行控制,如PID控制,Smith預(yù)估控制和內(nèi)模控制等。將傳統(tǒng)的控制方法用于組合積分過程的控制能夠獲得一定的控制性能,這也是此類過程不受重視的原因。但隨著現(xiàn)代
2、流程工業(yè)對控制精度提出了更高的要求,傳統(tǒng)的控制方法表現(xiàn)出了很大的局限性,因此,研究專門針對組合積分系統(tǒng)的控制策略非常必要和迫切。
由于組合積分過程中含有類似1-e-τs/s這樣的環(huán)節(jié),給組合積分過程的控制和閉環(huán)系統(tǒng)的性能,主要是穩(wěn)定性,分析帶來了困難。本文研究了流程工業(yè)中實(shí)際存在的組合積分過程,對與組合積分系統(tǒng)相關(guān)的控制策略和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等問題做了系統(tǒng)深入的研究,主要的研究結(jié)果如下:
(1)組合積分過程
3、的定義與描述提出了組合積分過程的嚴(yán)格定義,并從實(shí)際的流程工業(yè)出發(fā),給出了幾種具有組合積分過程特性的工業(yè)過程。同時,還列舉并分析了組合積分環(huán)節(jié)的幾種具體運(yùn)用場合。
(2)組合積分系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)為了給組合積分系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供理論支持,研究了兩類多時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩類系統(tǒng)均同時含有時滯和系數(shù)不確定性,其穩(wěn)定性分析分為兩大部分,一部分是求得參數(shù)空間內(nèi)所有可能的參數(shù)穩(wěn)定域邊界,在求解過程中借助于Rekasius變換
4、將所有不確定參數(shù)都映射到同一參數(shù)空間內(nèi)。第二部分是在求得參數(shù)空間內(nèi)所有可能的穩(wěn)定域邊界的基礎(chǔ)上,判斷保證多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)穩(wěn)定域,為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),提出了一種基于特征根聚類方法的參數(shù)穩(wěn)定域二步確定法。兩類時滯系統(tǒng)中,一類時滯系統(tǒng)含有確定時滯,在分析其穩(wěn)定性時,采用了基于建筑塊(Building Block)概念的穩(wěn)定域邊界求解方法,并同時對算法進(jìn)行了優(yōu)化以提高運(yùn)算效率。另一類時滯系統(tǒng)不含有確定時滯,為求得穩(wěn)定域邊界,提出了兩種方法,一種
5、是基于Kronecker和(Kronecker Summation)的方法,先求解穩(wěn)定域邊界上參數(shù)所滿足的必要條件,然后對必要條件進(jìn)行檢驗以確定參數(shù)穩(wěn)定域邊界。另一種是基于Routh陣列的方法。通過構(gòu)造Routh陣列及利用Routh陣列的性質(zhì)獲得穩(wěn)定域邊界上參數(shù)所滿足的充分必要條件,進(jìn)而確定穩(wěn)定域邊界。同時還分析了該方法在求解穩(wěn)定域邊界時所需要求解的問題的復(fù)雜度,并證明所求解的穩(wěn)定域中的核超平面的數(shù)量是以Fibonacci級數(shù)為上界的。
6、
(3)組合積分過程的先進(jìn)控制對于組合積分過程,當(dāng)期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)也為組合積分過程時,研究了控制器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)問題。提出了針對組合積分過程的偽預(yù)測重復(fù)控制器及偽預(yù)測PI控制器。并采用了本文所提出的多時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法求解了為保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,過程參數(shù)所允許的變動范圍。計算機(jī)仿真結(jié)果顯示,所提出的控制策略無論在標(biāo)稱情況還是模型失配情況下都具有很好的控制性能。鑒于組合積分過程具有無超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài),且具備一定噪聲抑制能力的
7、特點(diǎn),研究了期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為組合積分過程時,低階時滯過程的控制器設(shè)計問題,得到了一類抗時滯PI/PID控制器。所提出的控制器調(diào)節(jié)方便,仿真顯示,采用所提出的方法能夠獲得平穩(wěn)上升,無超調(diào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的閉環(huán)輸出,且系統(tǒng)具有很好的魯棒穩(wěn)定性。
(4)組合積分過程的擾動抑制當(dāng)擾動信號中含有正弦擾動信號時,基于內(nèi)模原理,設(shè)計了能夠同時抑制常值擾動和正弦擾動的擾動抑制控制器。為了在保證擾動抑制性能的情況下改善閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)跟蹤性能,采
8、用了Astrom提出的改進(jìn)的Smith預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果顯示,所提出的方法能夠很好的抑制常值擾動和正弦擾動。由于擾動抑制控制器的設(shè)計和在線整定需要實(shí)現(xiàn)知道擾動信號的頻率,因此提出了一種信號重構(gòu)方法,在保證一定信噪比的前提下,從系統(tǒng)輸出中重構(gòu)出具有和正弦擾動信號相同頻率,但不受常值信號干擾的正弦信號。然后,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種無味Kalman濾波器(Unscented Kalman filter),辨識重構(gòu)信號的頻率。仿真顯示所提
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