复杂系统的内模控制方法研究

论文摘要

非最小相位系统普遍存在于工业过程领域，由于非最小相位环节会对控制系统的稳定性造成严重影响，并且大部分的过程对象还具有时滞和多变量强耦合的特点，采用传统的控制方法无法达到预期的控制效果。因此，对这类复杂系统的研究具有十分重要的理论意义和应用价值。本文基于多变量频域控制理论，以目前具有实用价值的内模控制技术为主要控制手段，针对含有右半平面零点的时滞多变量系统提出一种简单实用的解耦控制方案。本文讨论了内模控制与Smith预估控制在结构上的等价性，并且将这种单变量内模Smith结构推广到多变量系统中。采用内模控制原理设计Smith预估控制器，不仅解决了时滞问题，还有效改善了Smith预估控制方法在模型失配情况下的缺陷。对于方形系统，分别采用静态解耦和动态解耦两种方式，给出了多变量系统的解耦控制结构，并详细推导了解耦控制器的设计过程。对于非方系统，引入矩阵理论中的Moore-Penrose逆概念，较好解决了非方系统的解耦问题。通过对解耦后的广义被控对象进行模型降阶处理，在一定程度上简化了解耦控制器矩阵的运算量。仿真结果表明，该方法有效提高了控制系统的动态性能和鲁棒稳定性；同时，本文还采用四种常用的性能指标进行了量化评价，验证了此方法的优越性。本文针对工业中普遍存在的高阶系统和高阶非最小相位系统，提出一种基于Butterworth滤波器的内模控制方法。利用Butterworth滤波器的理想低通滤波特性以及在整个通频带内幅频特性起伏最平稳的特性，将改进优化的Butterworth滤波器代替传统内模控制器设计中的低通滤波器，使控制系统具有更好的控制品质。仿真研究表明，该方法有效提高了系统的动态性能，尤其当模型失配时具有较强的鲁棒性，更加适合于高阶系统的控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 本文相关领域的研究现状
• 1.2.1 内模控制
• 1.2.2 多变量解耦控制
• 1.2.3 时滞及非最小相位对象的控制
• 1.3 本课题的主要研究内容及创新点
• 第二章 多变量内模解耦的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 内模控制的基本结构及原理
• 2.2.1 内模控制的基本结构
• 2.2.2 内模控制性质
• 2.2.3 内模控制器设计方法
• 2.2.4 内模控制系统的性能指标分析
• 2.3 Smith内模控制
• 2.3.1 Smith预估控制
• 2.3.2 Smith预估控制与内模控制的关系
• 2.3.3 Smith内模控制器设计及滤波器时间常数整定方法
• 2.4 解耦控制器设计
• 2.4.1 解耦控制结构
• 2.4.2 解耦控制器设计
• 2.5 小结
• 第三章 改进型Butterworth滤波器在内模控制中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 Butterworth滤波器的理论研究
• 3.2.1 标准型Butterworth滤波器
• 3.2.2 改进型Butterworth滤波器
• 3.2.3 标准型与改进型Butterworth滤波器的比较
• 3.3 改进型Butterworth滤波器内模控制
• 3.3.1 内模控制器设计
• 3.3.2 滤波器参数选择
• 3.3.3 系统稳定性和鲁棒性分析
• 3.4 仿真研究
• 3.4.1 最小相位高阶系统的控制
• 3.4.2 含RHP零点的高阶系统的控制
• 3.5 小结
• 第四章 多变量方形系统的内模解耦控制
• 4.1 引言
• 4.2 多变量系统零极点的确定
• 4.3 方形系统的解耦控制方案
• 4.3.1 动态解耦分析
• 4.3.2 静态解耦分析
• 4.4 仿真研究
• 4.4.1 静态解耦控制器设计
• 4.4.2 动态解耦控制器设计
• 4.4.3 静态解耦控制与动态解耦控制的仿真比较
• 4.5 小结
• 第五章 多变量非方系统的内模解耦控制
• 5.1 引言
• 5.2 广义逆的定义
• 5.3 非方非最小相位系统的解耦控制方案
• 5.4 仿真研究
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书