組合積分系統(tǒng)的控制理論與應用研究.pdf

1、近些年來，在流程控制領域，通過對生產過程進行機理分析并建模，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人員和研究學者的關注。目前，流程工業(yè)中的組合積分過程大多采用傳統(tǒng)的控制方法進行控制，如PID控制，Smith預估控制和內?？刂频取鹘y(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)中實際存在的組合積分過程，對與組合積分系統(tǒng)相關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格定義，并從實際的流程工業(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)的幾種具體運用場合。
　　 (2)組合積分系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎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。第二部分是在求得參數(shù)空間內所有可能的穩(wěn)定域邊界的基礎上，判斷保證多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)穩(wěn)定域，為實現(xiàn)這一目標，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，并同時對算法進行了優(yōu)化以提高運算效率。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。通過構造Routh陣列及利用Routh陣列的性質獲得穩(wěn)定域邊界上參數(shù)所滿足的充分必要條件，進而確定穩(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控制對于組合積分過程，當期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)也為組合積分過程時，研究了控制器的設計和實現(xiàn)問題。提出了針對組合積分過程的偽預測重復控制器及偽預測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。計算機仿真結果顯示，所提出的控制策略無論在標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到達穩(wěn)態(tài)，且具備一定噪聲抑制能力的

7、特點，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計問題，得到了一類抗時滯PI/PID控制器。所提出的控制器調節(jié)方便，仿真顯示，采用所提出的方法能夠獲得平穩(wěn)上升，無超調到達穩(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擾動信號中含有正弦擾動信號時，基于內模原理，設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)的設定點跟蹤性能，采

8、用了Astrom提出的改進的Smith預估器控制結構。仿真結果顯示，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計和在線整定需要實現(xiàn)知道擾動信號的頻率，因此提出了一種信號重構方法，在保證一定信噪比的前提下，從系統(tǒng)輸出中重構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，在此基礎上，設計了一種無味Kalman濾波器(Unscented Kalman filter)，辨識重構信號的頻率。仿真顯示所提