化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，是針對化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程，以最優(yōu)控制理論和魯棒內(nèi)?？刂评碚摓榛A(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)：
雙輸入雙輸出過程是化工生產(chǎn)中最常見的多變量過程，而且為了便于操作和控制，很多高維多變量過程在實際中通常分解為若干個雙路輸入和輸出的子系統(tǒng)來處理。由于兩個控制通道之間存在耦合作用，使得大多數(shù)已發(fā)展的單變量控制方法很難用于雙輸入雙輸出過程，所得到的系統(tǒng)輸出響應(yīng)性能很差，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。因此，如何實施解耦控制和調(diào)節(jié)是目前的研究和應(yīng)用難題。
目前化工實踐中，通常采用多環(huán)控制系統(tǒng)(亦稱分散控制系統(tǒng))，即針對被控過程所要求配對的各個輸入和輸出設(shè)計控制閉環(huán)，通過調(diào)節(jié)每個控制閉環(huán)中的單一控制器，實現(xiàn)對各被控過程輸出的調(diào)節(jié)和控制。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是控制操作簡便，經(jīng)濟成本低廉，各個控制閉環(huán)的獨立性強，但其主要缺點是沒有從根本上解決各個系統(tǒng)輸出之間的耦合作用，一般是通過在各個控制閉環(huán)的控制器中設(shè)置解調(diào)因子來實現(xiàn)在各個系統(tǒng)輸出響應(yīng)性能與相互解耦響應(yīng)水平之間折衷，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。為此，近年來很多控制學(xué)者和工程專家研究和提出了一些解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。具有代表性的是瑞典的Astrom教授在文獻(xiàn)《Design of decoupled PI controllers for two-by-two systems》(雙輸入雙輸出系統(tǒng)的解耦PI控制器設(shè)計，發(fā)表在控制學(xué)科國際刊物IEEProc.Control Theory Appl，2002，149(1)，74-81.)中提出一種簡便的靜態(tài)解耦器設(shè)計方法，即首先在被控過程的雙路輸入端處設(shè)置一個解耦器，其傳遞函數(shù)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過程傳遞函數(shù)矩陣?yán)媒宦?lián)指標(biāo)設(shè)計比例—積分(PI)控制器，該方法相對于常規(guī)的多環(huán)控制系統(tǒng)取得了改善的控制效果，簡稱Astrom方法。它的主要缺點是沒有考慮控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)階段的耦合效應(yīng)，因而控制質(zhì)量仍然不高。有些學(xué)者提出采用被控過程傳遞函數(shù)矩陣的逆陣做為動態(tài)解耦器，將其設(shè)置在被控過程的雙路輸入端處，然后針對由此增廣得到的對角化過程傳遞函數(shù)矩陣，按照常規(guī)的多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法來構(gòu)造實現(xiàn)控制系統(tǒng)，雖然能夠取得明顯改善的控制效果，但應(yīng)用的局限性很大，不便于推廣使用，如不能用于被控過程傳遞函數(shù)矩陣的逆陣是不穩(wěn)定的情況，然而這種情況在化工實踐中是大量存在的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對化工雙輸入雙輸出過程給出一種新穎的解耦控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)稱系統(tǒng)輸出響應(yīng)的完全解耦，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出響應(yīng)之間的相互獨立調(diào)節(jié)，從根本上解決常規(guī)的雙輸入輸出控制系統(tǒng)中存在的輸出響應(yīng)之間嚴(yán)重耦合的弊端，并且可以廣泛地應(yīng)用于各種不同的雙輸入雙輸出過程。
本發(fā)明給出的控制系統(tǒng)基于內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，利用被控過程辨識模型的輸出與實際過程的輸出之間的偏差信號作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信息，與系統(tǒng)給定輸入值做求差運算后將結(jié)果作為解耦控制器矩陣的輸入信號，經(jīng)解耦控制器矩陣運算處理后，將控制輸出信號發(fā)送給被控過程的輸入調(diào)節(jié)裝置，從而實現(xiàn)漸近跟蹤系統(tǒng)給定值輸入信號以及抑制負(fù)載干擾信號的目的。
本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)由以下幾部分組成解耦控制器矩陣、被控過程辨識模型以及兩個信號混合器。其中第一個信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣的輸入端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接兩路系統(tǒng)給定值輸入信號，其兩路負(fù)極性輸入端連接兩路系統(tǒng)輸出偏差信號，其兩路輸出端連接解耦控制器矩陣的兩路輸入端；第二個信號混合器設(shè)置在實際被控過程的輸出端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接實際被控過程的兩路輸出端，其兩路負(fù)極性輸入端連接被控過程辨識模型的兩路輸出端，其兩路輸出端連接第一個信號混合器的兩路負(fù)極性輸入端。
解耦控制器矩陣的功能是跟蹤和放大給定值輸入信號，提供被控過程工作所需要的輸入能量，從而使過程的輸出達(dá)到給定值的要求，同時利用被控過程辨識模型的輸出與實際過程的輸出之間的偏差信號，調(diào)節(jié)被控過程的輸入量大小，達(dá)到消除負(fù)載干擾信號影響過程輸出的目的。被控過程辨識模型的功能是模擬實際過程的輸出，提供參考過程輸出信號，而且是設(shè)計解耦控制器矩陣的依據(jù)。信號混合器的功能是將兩組兩路輸入信號分別混合為兩組一路輸出信號。
實際運行本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)兩路給定值輸入信號分別按照工作要求依次送入解耦控制器矩陣的兩路輸入端，解耦控制器矩陣放大和平滑給定值輸入信號，提供被控過程及其辨識模型工作所需要的兩路輸入能量，從而使兩路控制系統(tǒng)輸出分別達(dá)到給定值輸入信號的要求。在標(biāo)稱情況下，即被控過程與其辨識模型完全匹配時，系統(tǒng)輸出偏差信號為零，系統(tǒng)輸出響應(yīng)為開環(huán)控制，因而根據(jù)期望的系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)輸出響應(yīng)平穩(wěn)且無超調(diào)。當(dāng)有負(fù)載干擾信號混入被控過程時，引起系統(tǒng)輸出偏差信號不為零，由其調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣的輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的控制輸出量送入到被控過程的輸入端，從而抵消和平衡由負(fù)載干擾信號引起的系統(tǒng)輸出變化和波動，達(dá)到漸近消除系統(tǒng)輸出偏差的目的。
需要說明，解耦控制器矩陣中的每個控制器均為單參數(shù)整定，而且每列控制器均由相同的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2.)整定，對應(yīng)的系統(tǒng)輸出響應(yīng)yi(i＝1，2.)可以由λi單調(diào)地定量整定，并且在標(biāo)稱情況下給定值響應(yīng)是無超調(diào)的。按照通常定義的給定值響應(yīng)上升時間tr為系統(tǒng)輸出達(dá)到90％終值所需的時間，對于不含有復(fù)右半平面的零點的一階雙輸入雙輸出過程辨識模型G(s)=k11e-θ11sτ11s+1k12e-θ12sτ12s+1k21e-θ21sτ21s+1k22e-θ22sτ22s+1]]>其中kij為被控過程傳遞函數(shù)矩陣中各個傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益，θij為它們的純滯后時間，τij為它們的慣性時間常數(shù)，i，j＝1，2.。每個系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)上升時間tri(i＝1，2.)和對應(yīng)的可調(diào)參數(shù)λi之間的整定公式為tri＝2.3026λi+θi，其中θi由下式確定 本發(fā)明提出的解耦控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是1.能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)稱系統(tǒng)輸出響應(yīng)之間的完全解耦，從而克服了常規(guī)的單位反饋控制系統(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)的時域響應(yīng)指標(biāo)可以定量整定和估計；3.控制系統(tǒng)的解耦控制器矩陣是基于魯棒H2最優(yōu)性能指標(biāo)設(shè)計的，所以本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)能夠使控制系統(tǒng)性能指標(biāo)實現(xiàn)最優(yōu)化；4.解耦控制器矩陣中的每個控制器均為單參數(shù)整定，而且每列控制器均由相同的調(diào)節(jié)參數(shù)整定，可以單調(diào)地定量調(diào)節(jié)。對于一階辨識模型的化工雙輸入雙輸出過程，本發(fā)明給出了控制系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)與控制器參數(shù)之間的整定公式，從而極大地方便了控制系統(tǒng)的實際操作；5.本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)是基于魯棒內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的，所以控制系統(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(yīng)被控過程建模誤差以及過程參數(shù)攝動。
因此本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性和實用性，能夠在實際工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出先進(jìn)的控制效果。


圖1為本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)的方框原理圖。圖1中，C是解耦控制器矩陣，Gm是被控過程G的辨識模型，并且C=c11c12c21c22,]]>G=g11g12g21g22]]>r表示系統(tǒng)給定值輸入，y表示系統(tǒng)輸出，u是解耦控制器矩陣C的輸出。e是實際被控過程的輸出與被控過程辨識模型的輸出之間的偏差信號。
圖2為本發(fā)明中的解耦控制器矩陣C的閉環(huán)控制單元。圖2中，In表示控制輸入，Out表示控制輸出，并且G*=k12k21k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)(τ12s+1)(τ21s+1),Δθ=|θ11+θ22-θ12-θ21|]]>其中kij為被控過程傳遞函數(shù)矩陣中各個傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益，θij為它們的純滯后時間，τij為它們的慣性時間常數(shù)，i，j＝1，2.。
圖3為針對一個化工實施例，本發(fā)明(粗實線)和Astrom的方法(粗點線)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維過程輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了第2維過程輸出響應(yīng)曲線。
圖4為本發(fā)明實施例中在過程參數(shù)發(fā)生攝動的情況下，本發(fā)明(粗實線)和Astrom的方法(粗點線)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維過程輸出響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了第2維過程輸出響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(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)由以下幾部分組成解耦控制器矩陣C、被控過程G的辨識模型Gm和兩個信號混合器(圖中的圓圈節(jié)點)。其中第一個信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣C的輸入端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接兩路系統(tǒng)給定值輸入信號r，其兩路負(fù)極性輸入端連接兩路系統(tǒng)輸出偏差信號e，其兩路輸出端連接解耦控制器矩陣C的兩路輸入端；第二個信號混合器設(shè)置在實際被控過程G的輸出端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接實際被控過程G的兩路輸出端，其兩路負(fù)極性輸入端連接過程辨識模型Gm的兩路輸出端，其兩路輸出端連接第一個信號混合器的兩路負(fù)極性輸入端。
實際運行如圖1所示的解耦控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)兩路給定值輸入信號r分別按照工作要求依次送入解耦控制器矩陣C的兩路輸入端，解耦控制器矩陣C放大和平滑給定值輸入信號，提供被控過程G及其辨識模型Gm工作所需要的兩路輸入能量u，從而使兩路控制系統(tǒng)輸出y分別達(dá)到給定值輸入信號r的要求。在標(biāo)稱情況下，即G＝Gm，系統(tǒng)輸出偏差信號e＝0，系統(tǒng)輸出響應(yīng)為開環(huán)控制，因而根據(jù)期望的系統(tǒng)響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)輸出響應(yīng)平穩(wěn)且無超調(diào)。當(dāng)有負(fù)載干擾信號混入被控過程G時，引起系統(tǒng)輸出偏差信號e不為零，由其調(diào)節(jié)解耦控制器矩陣C的輸入量大小，產(chǎn)生相應(yīng)變化的控制輸出量加入到被控過程的輸入端，從而抵消和平衡由負(fù)載干擾信號引起的系統(tǒng)輸出變化和波動，達(dá)到漸近消除系統(tǒng)輸出偏差的目的。
一般情況下，化工雙輸入雙輸出過程可以用頻域的傳遞函數(shù)矩陣形式描述為G(s)=k11e-θ11sτ11s+1k12e-θ12sτ12s+1k21e-θ21sτ21s+1k22e-θ22sτ22s+1---(1)]]>
其中kij為被控過程傳遞函數(shù)矩陣中各個傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益，θij為它們的純滯后時間，τij為它們的慣性時間常數(shù)，i，j＝1，2.。
下面分兩種情況給出本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)中的解耦控制器矩陣C的設(shè)計公式1.被控過程傳遞函數(shù)矩陣的行列式不含有復(fù)右半平面的零點。若θ11+θ22≤θ12+θ21，則C11=(τ11s+1)e-(θ1-θ11)sk11(λ1s+1)·11-G*e-Δθs---(2)]]>C21=-k21k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)e-(θ1+θ21-θ11-θ22)s(τ21s+1)(λ1s+1)·11-G*e-Δθs---(3)]]>C12=-k12k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)e-(θ2+θ12-θ11-θ22)s(τ12s+1)(λ2s+1)·11-G*e-Δθs---(4)]]>C22=(τ22s+1)e-(θ2-θ22)sk22(λ2s+1)·11-G*e-Δθs---(5)]]>其中Δθ＝θ12+θ21-θ11-θ22。
若θ11+θ22＞θ12+θ21，則C11=-k22k12k21·(τ12s+1)(τ21s+1)e-(θ1+θ22-θ12-θ21)s(τ22s+1)(λ1s+1)·11-1G*e-Δθs---(6)]]>C21=(τ12s+1)e-(θ1-θ12)sk12(λ1s+1)·11-1G*e-Δθs---(7)]]>C12=(τ21s+1)e-(θ2-θ21)sk21(λ2s+1)·11-1G*e-Δθs---(8)]]>C22=-k11k12k21·(τ12s+1)(τ21s+1)e-(θ2+θ11-θ12-θ21)s(τ11s+1)(λ2s+1)·11-1G*e-Δθs---(9)]]>其中Δθ＝θ11+θ22-θ12-θ21。
需要說明，公式(2)-(9)中λi(i＝1，2.)是控制器整定參數(shù)，并且有
G*=k12k21k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)(τ12s+1)(τ21s+1)]]>另外，上面公式(2)-(9)中的第二項1/(1-G*e-Δθs)(或1/(1-e-Δθs/G*))可由附圖2所示的閉環(huán)控制單元實現(xiàn)。
2.被控過程傳遞函數(shù)矩陣的行列式含有復(fù)右半平面的零點。若θ11+θ22≤θ12+θ21，則C11=(τ11s+1)e-(θ1-θ11)sk11(λ1s+1)Πi=1n1(zis+1)·D1---(10)]]>C21=-k21k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)e-(θ1+θ21-θ11-θ22)s(λ21s+1)(λ1s+1)Πi=1n1(zis+1)·D1---(11)]]>C12=-k12k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)e-(θ2+θ12-θ11-θ22)s(λ12s+1)(λ2s+1)Πi=1n1(zis+1)·D1---(12)]]>C22=(τ22s+1)e-(θ2-θ22)sk22(λ2s+1)Πi=1n1(zis+1)·D1---(13)]]>其中Δθ＝θ12+θ21-θ11-θ22，1/zi為1-G*e-Δθs的復(fù)右半平面零點，n1是這些零點的個數(shù)，并且有C22=(τ22s+1)e-(θ2-θ22)sk22(λ2s+1)Πi=1n1(zis+1)·D1---(13)]]>若θ11+θ22＞θ12+θ21，則C11=-k22k12k21·(τ12s+1)(τ21s+1)e-(θ1+θ22-θ12-θ21)s(λ22s+1)(λ1s+1)Πi=1n2(zis+1)·D2---(14)]]>C21=(τ12s+1)e-(θ1-θ12)sk12(z1s+1)Πi=1n2(zis+1)·D2---(15)]]>C12=(τ21s+1)e-(θ2-θ21)sk21(λ2s+1)Πi=1n2(zis+1)·D2---(16)]]>C22=-k11k12k21·(τ12s+1)(τ21s+1)e-(θ2+θ11-θ12-θ21)s(λ11s+1)(λ2s+1)Πi=1n2(zis+1)·D2---(17)]]>其中Δθ＝θ11+θ22-θ12-θ21，1/zi為1-e-Δθs/G*的復(fù)右半平面零點，n2是這些零點的個數(shù)，并且有D2=Πi=1n2(1-zis)1-e-ΔθsG*]]>需要說明，公式(2)-(9)中λi(i＝1，2.)是控制器整定參數(shù)，并且有G*=k12k21k11k22·(τ11s+1)(τ22s+1)(τ12s+1)(τ21s+1)]]>另外，上面公式(10)-(17)中的D1和D2由于存在復(fù)右半平面的零一極點對消并且不能直接去除，所以不能穩(wěn)定地執(zhí)行。為此，這里采用線性逼近公式來復(fù)制出其可執(zhí)行的形式，即令Dk=Σi=0NaisiΣj=0Nbjsj,k=1,2.---(18)]]>其中N為實際指定的能夠滿足工作要求的控制器階次，ai和bj由下面兩個矩陣方程求解得到 其中di是Dk的數(shù)學(xué)Maclaurin展開級數(shù)中各項的系數(shù)，即di=1i!lims→0diDkdsi,i=0,1,···,2N.]]>b0取為 例如，取N＝1，由式(18)-(20)可得一階線性逼近公式
Dk=a1s+a0b1s+b0---(21)]]>其中b1=-d2d1,b0=1,a1=d1+d0b1,a0=d0,di=1i!lims→0diDkdsi,i=0,1,2.]]>取N＝2，可以得到二階線性逼近公式D=a2s2+a1s+a0b2s2+b1s+b0---(22)]]>其中b2=d32-d2d4d22-d1d3,b1=d1d4-d2d3d22-d1d3,b0=1,di=1i!lims→0diDkdsi,i=0,1,…,4;]]>a2＝d2+d1b1+d0b2，a1＝d1+d0b1，a0＝d0.
需要指出，應(yīng)用上述線性逼近公式具有一個穩(wěn)定約束條件，即式(18)的分母不能含有復(fù)右半平面的零點，否則所得到的逼近公式仍不能保證穩(wěn)定。因此，采用高階逼近公式時，需要采用Routh-Hurwitz(勞斯-霍爾維茨)穩(wěn)定判據(jù)檢驗其穩(wěn)定性，從而選用可穩(wěn)定實現(xiàn)的高階逼近公式。實際中為了簡便起見，推薦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。當(dāng)然，若能得到穩(wěn)定正則的高階逼近公式，可以實現(xiàn)更好的控制性能。
另外指出，上面公式(2)-(9)中的第二項1/(1-G*e-Δθs)(或1/(1-e-Δθs/G*))亦可以用上述線性逼近公式實現(xiàn)，從而省去用如附圖2所示的控制閉環(huán)實現(xiàn)，當(dāng)然，控制系統(tǒng)性能相應(yīng)地會有所降低，但不會影響解耦性能。
解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2.)的整定規(guī)則調(diào)小整定參數(shù)λi可以加快對應(yīng)的系統(tǒng)輸出響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的標(biāo)稱性能，但是相應(yīng)所需的第i列控制器的輸出能量要增大，并且它們對應(yīng)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，此外，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)λi會使對應(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，并且對應(yīng)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。因此實際整定解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2.)時，應(yīng)在系統(tǒng)輸出響應(yīng)標(biāo)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。按照通常定義的給定值響應(yīng)上升時間tr為系統(tǒng)輸出達(dá)到90％終值所需的時間，對于式(1)給出的一階雙輸入雙輸出過程的辨識模型，若它不含有復(fù)右半平面的零點，則每個系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)上升時間tri(i＝1，2.)和可調(diào)參數(shù)λi之間的整定公式為tri＝2.3026λi+θi，其中θi由下式確定 所以利用可調(diào)參數(shù)λi整定系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)的時域指標(biāo)是非常方便的。
通常情況下，為了適應(yīng)被控過程的未建模動態(tài)特性，可以通過分別單調(diào)地增大解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi(i＝1，2.)來增強控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，代價是系統(tǒng)的標(biāo)稱響應(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，說明被控過程辨識模型與實際過程偏差太遠(yuǎn)，需要重新進(jìn)行過程辨識，從而減小被控過程的未建模動態(tài)來達(dá)到更好的控制效果。
例如對于化工烴化物分餾塔過程G=12.8e-s16.7s+1-18.9e-3s21s+16.6e-7s10.9s+1-19.4e-3s14.4s+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)；然后進(jìn)行解耦控制器矩陣C的設(shè)計和整定，由于這里θ11+θ22＝4＜θ12+θ21＝10，所以套用設(shè)計公式(2)-(5)，得到解耦控制器矩陣C=D·16.7s+112.8(λ1s+1)-0.0761(16.7s+1)(14.4s+1)e-2s(21s+1)(λ2s+1)0.0266(16.7s+1)(14.4s+1)e-4s(10.9s+1)(λ1s+1)-14.4s+119.4(λ2s+1)]]>其中D=11-0.5023(16.7s+1)(14.4s+1)(21s+1)(10.9s+1)e-6s]]>它可以用附圖2所示的閉環(huán)控制單元實現(xiàn)。初始設(shè)置控制參數(shù)λ1＝4，λ2＝6。
需要說明，如上初始設(shè)置控制器參數(shù)λ1和λ2的值是為了得到與Astrom的方法下的解耦控制系統(tǒng)的給定值響應(yīng)的上升時間相同，以便比較。
仿真實驗時，分別在t＝0，150秒時刻加入控制系統(tǒng)的兩路給定值單位階躍輸入信號r，在t＝300秒時刻加入反向單位階躍負(fù)載干擾信號于被控過程G的兩路輸入端，被控過程輸出的計算機仿真結(jié)果如附圖3所示。
由圖3可以看到，本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)(粗實線)實現(xiàn)了標(biāo)稱系統(tǒng)的兩路輸出響應(yīng)之間的完全解耦。同時可以看到，兩路輸出的給定值響應(yīng)均沒有超調(diào)，明顯優(yōu)于Astrom的方法下的系統(tǒng)輸出響應(yīng)(粗點線)。并且應(yīng)用上面給出的系統(tǒng)時域響應(yīng)整定公式，可知系統(tǒng)輸出y1的上升時間為tr1＝2.3026λi+1，輸出y2的上升時間為tr2＝2.3026λ2+3，這樣很大地方便了調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出響應(yīng)指標(biāo)。
現(xiàn)在假設(shè)實際被控過程G的傳遞函數(shù)矩陣中所有的穩(wěn)態(tài)增益，純滯后時間以及慣性時間常數(shù)均比其辨識模型Gm的增大了20％，在這種嚴(yán)重的參數(shù)攝動情況下進(jìn)行如上所述仿真實驗，攝動過程輸出響應(yīng)的計算機仿真結(jié)果如圖4所示。
由圖4可以看到，本發(fā)明給出的解耦控制系統(tǒng)(粗實線)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Astrom的方法下的解耦控制系統(tǒng)(粗點線)。
以上闡述的是本發(fā)明給出的一個實施例所表現(xiàn)出的優(yōu)良控制效果。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實施例，由于本發(fā)明針對化工過程中的一般雙輸入輸出過程模型設(shè)計解耦控制器矩陣，所以得出的解析設(shè)計公式可以適用于不同的化工雙輸入輸出生產(chǎn)過程。本發(fā)明的解耦控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于石化、冶金、醫(yī)藥、建材和紡織等行業(yè)的雙輸入輸出生產(chǎn)過程。
權(quán)利要求
1.一種化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，其特征在于由解耦控制器矩陣C、被控過程G的辨識模型Gm和兩個信號混合器組成，其中第一個信號混合器設(shè)置在解耦控制器矩陣C的輸入端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接兩路系統(tǒng)給定值輸入信號，其兩路負(fù)極性輸入端連接兩路系統(tǒng)輸出偏差信號，其兩路輸出端連接解耦控制器矩陣C的兩路輸入端；第二個信號混合器設(shè)置在實際被控過程G的兩路輸出端處，它分別有兩路正極性輸入端和兩路負(fù)極性輸入端，其兩路正極性輸入端連接實際被控過程G的兩路輸出端，其兩路負(fù)極性輸入端連接被控過程辨識模型Gm的兩路輸出端，其兩路輸出端連接第一個信號混合器的兩路負(fù)極性輸入端。
2.如權(quán)利要求1的化工雙輸入雙輸出生產(chǎn)過程的解耦控制系統(tǒng)，其特征在于所述的被控過程辨識模型Gm為一階且不含有復(fù)右半平面的零點時，即G(s)=k11e-θ11sτ11s+1k12e-θ12sτ12s+1k21e-θ21sτ21s+1k22e-θ22sτ22s+1]]>其中kij為被控過程傳遞函數(shù)矩陣中各個傳遞函數(shù)的穩(wěn)態(tài)增益，θij為它們的純滯后時間，τij為它們的慣性時間常數(shù)，i，j＝1，2.，定義給定值響應(yīng)上升時間tr為系統(tǒng)輸出達(dá)到90％終值所需的時間，每個系統(tǒng)輸出的給定值響應(yīng)上升時間tri(i＝1，2.)和對應(yīng)的解耦控制器矩陣C的可調(diào)參數(shù)λi之間的整定公式為tri＝2.3026λi+θi，其中θi由下式確定
全文摘要
一種化工雙輸入雙輸出過程的解耦控制系統(tǒng)，由解耦控制器矩陣、被控過程辨識模型以及兩個信號混合器組成。利用被控過程辨識模型的輸出與實際過程的輸出之間的偏差信號作為系統(tǒng)輸出響應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信息，與系統(tǒng)給定輸入值做求差運算后將結(jié)果作為解耦控制器矩陣的輸入信號，經(jīng)解耦控制器矩陣運算處理后，將控制輸出信號發(fā)送給被控過程的輸入調(diào)節(jié)裝置，從而實現(xiàn)漸近跟蹤系統(tǒng)給定值輸入信號以及抑制負(fù)載干擾信號的目的。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)實際被控過程的建模誤差以及過程參數(shù)攝動。
文檔編號G05B13/00GK1588244SQ20041005303
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者劉濤, 張衛(wèi)東, 歐林林, 顧誕英, 曹春生 申請人:上海交通大學(xué)