内模控制策略在多变量系统中的应用研究

论文摘要

多输入多输出(MIMO)系统的控制一直是控制领域的难题,工业生产中普遍存在具有时滞和耦合的MIMO过程。对于时滞多变量系统,由传统方法求得的对角精确动态解耦阵中含有超前环节,其物理上无法实现,使得系统更加难于控制。此外,多变量复杂控制系统不仅具有多耦合和多时滞,还具有结构上的复杂性,即输入输出不等,传递函数为奇异矩阵。传统的多变量内模控制(Internal model control,IMC)是基于对非奇异对象求逆来进行的,因此很难解决这类问题。本文利用内模控制策略来设计控制器,主要分析研究多变量系统特性、多变量方形系统以及多变量非方系统的内模控制方法,应用本文论述的方法设计的内模控制器可以克服传统PID控制效果难以达到最优的缺点,实现对多变量系统特别是多时滞强耦合系统解耦控制。与以往的控制方法相比具有对过程干扰的抑制能力强,跟踪性能和稳定性能良好等优点。本文讨论了多变量内模控制的基本原理、结构、性质、鲁棒性以及多变量内模控制器的典型设计方法。主要针对一类方形多变量多时滞耦合系统进行了内模控制的研究,提出的控制器设计方法将解耦环节与控制环节同时进行,有效地避免了模型失配带来的解耦误差。该方法不仅对复杂的方形系统具有良好的控制效果,还具有较强的鲁棒性。本文分析了多变量非方系统结构的特殊性,研究了多变量非方系统的主要控制方法,主要集中在两个方面,第一个方面是以利用相对增益矩阵进行配对的方法,即对非方系统进行“方形化”,第二个方面是以对非方系统解耦控制法为代表的直接控制法,另外专门针对化工生产过程中很少出现的瘦系统进行分析,应用选择控制法解决了对其进行精确控制的难题。针对复杂工业生产过程中常常出现的输入与输出变量数目不相等的非方系统,首次提出一种基于奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)的内模控制新方法。该方法应用SVD矩阵理论设计一种非对角型滤波器,使控制系统不仅具备良好的高维解耦能力和响应速度快的优点,而且因设置新型滤波结构而具备极强的鲁棒性

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的目的和意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 内模控制的发展及研究现状
• 1.2.2 多变量内模控制研究尚需深入的问题
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 多变量内模控制的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 多变量系统内模控制的原理及性质
• 2.2.1 多变量内模控制的结构
• 2.2.2 多变量内模控制的设计方法
• 2.3 内模控制鲁棒分析
• 2.3.1 内模控制系统的鲁棒稳定性分析
• 2.3.2 内模控制系统的鲁棒性能分析
• 2.4 内模控制结构的等效变换
• 2.5 仿真研究
• 2.6 小结
• 第三章 方系统的解耦内模控制方法
• 3.1 引言
• 3.2 方形系统内模控制结构分析
• 3.2.1 方形系统传递函数矩阵分析
• 3.2.2 方形系统多时滞问题的处理方法
• 3.2.3 方形系统非最小相位零点的处理方法
• 3.3 方形系统内模控制器的设计步骤
• 3.4 控制器降阶算法
• 3.4.1 控制器降阶问题的提出
• 3.4.2 改进的NLJ算法在控制器降阶中的应用
• 3.5 仿真研究
• 3.6 小结
• 第四章 非方多变量系统的方形化及直接控制法
• 4.1 引言
• 4.2 非方系统的定义及分类
• 4.2.1 非方系统的定义
• 4.2.2 非方系统的分类
• 4.3 非方相对增益矩阵配对控制法
• 4.3.1 非方相对增益矩阵（NRGA）的定义
• 4.3.2 NRGA的计算方法及配对原则
• 4.3.3 NRGA法应用举例
• 4.4 广义逆法
• 4.4.1 广义逆的相关概念
• 4.4.2 广义逆的计算
• 4.4.3 基于广义逆的控制器的设计
• 4.5 对象解耦控制法
• 4.6 多回路控制法
• 4.7 瘦系统选择控制法
• 4.8 小结
• 第五章 非方多变量系统的奇异值分解内模控制法
• 5.1 引言
• 5.2 系统描述及奇异值理论基础
• 5.2.1 非方系统及控制结构描述
• 5.2.2 非方系统奇异值的物理意义
• 5.3 SVD-IMC控制器设计
• 5.3.1 解耦及时滞补偿功能的实现
• m^*的实现'>5.3.1.1 对象模型的广义逆G_m^*的实现
• 5.3.1.2 闭环传递矩阵—H的实现
• 5.3.2 非对角滤波器F的实现
• 5.4 仿真实例
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件