一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，包括以下步骤：利用动态解耦控制器将多变量不稳定系统解耦成多个独立的子系统；针对多个独立的子系统设计组合积分控制器。本发明专利技术的控制结构简单，且参数整定直观方便，在存在干扰和模型失配的情况下，系统仍然具有良好的控制性能，抗干扰能力强，鲁棒稳定性好。

A Control Method for Multivariable Unstable Systems Based on Composite Integral Controller

The present invention relates to a control method based on combined integral controller for multivariable unstable systems, which includes the following steps: decoupling a multivariable unstable system into several independent subsystems by using dynamic decoupling controller; and designing a combined integral controller for multiple independent subsystems. The control structure of the invention is simple, and the parameter setting is intuitive and convenient. In the case of disturbance and model mismatch, the system still has good control performance, strong anti-interference ability and good robustness and stability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法
本专利技术涉及自动控制
，特别是涉及一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法。
技术介绍
在诸多实际流程工业过程中会有如下具体的要求：(1)系统运行时安全稳定；(2)系统具有良好调节性能；(3)系统具有一定的抗干扰能力。但是，当遇到多变量系统(MIMO)时，由于其内部构造较为复杂，因此可能出现一些特定的情况。在MIMO系统中，由于多变量之间存在一定程度的耦合，因此若其中一个输入信号发生改变，则系统与之相关联的多个输出也会随之发生改变。若把输入和输出之间匹配，能够使用一个输入和输出组成闭环回路从而对其进行有效控制，但是无法完全消除互相之间的影响，所以此种方法在具体实行时存在一定的困难。此外，MIMO系统中由于具有多条通道，因此其参数数据量较大，控制回路之间的相关性较大，参数变化会对整个系统的结果产生较为深刻的影响。因此在设计MIMO系统时需要考虑控制器或对象参数的变化是否会改变系统的性能，或者需要提前知道能够保持系统稳定性能以及其他性能的参数选取范围。在研究控制方法时，应当尽可能使控制算法对应的参数选择范围较大。自从上世纪以来，关于MIMO系统的相关理论研究受到了很多学者的关注，且有相当丰富的学术成果有效应用在实际工业实践中。现在普遍将多变量控制系统视为一类高级复杂系统：高级是因为多变量控制系统可以为包含多个变量的工业过程提供集中的控制；复杂是因为多变量系统相比于单变量系统来说控制难度更大、设备要求更复杂，系统的控制结构也更复杂。此外，从控制理论的角度来说，高级复杂的控制系统能够实现更高要求的控制标准，因此理论难度超过通常的简单单变量过程控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，能够消除系统多个变量之间的耦合性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，包括以下步骤：(1)利用动态解耦控制器将多变量不稳定系统解耦成多个独立的子系统；(2)针对多个独立的子系统设计组合积分控制器。所述步骤(1)中多变量不稳定系统的时滞多变量控制对象其中，Gnn(s)表示输入到输出前向通道上的传递函数，tnn表示滞后时间参数，假设动态解耦控制器的构造样式为根据解耦条件，即G(s)D(s)为对角矩阵，得到dij(s)，其中，dij(s)表示第i个输入到第j个输出前向通道上解耦控制器的传递函数。所述步骤(2)中对每个独立的子系统设计的闭环传递函数其中，τ1和τ2为可调参数，L表示滞后时间参数。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术的方法采用的结构简单，参数整定直观方便。通过仿真表明，将组合积分控制器应用于多变量不稳定系统时设定值跟踪性能较强、从初始状态到达设定值的时间较短、对于干扰和模型失配的抑制能力也较优，因此其为一类在实际流程工业中值得推广的新型控制策略。附图说明图1为组合积分控制系统结构示意图；图2为多变量不稳定系统的组合积分控制系统结构示意图；图3是标称模型下多变量不稳定对象的第一个阶跃输出示意图；图4是标称模型下多变量不稳定对象的第二个阶跃输出示意图；图5为模型失配、标称模型下第一个输出的阶跃响应比较图；图6为模型失配、标称模型下第二个输出的阶跃响应比较图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，该方法采用组合积分控制器结合动态解耦控制器的方式进行。本专利技术的原理是：1、首先介绍组合积分系统及其先进控制算法工业自动化控制中普遍存在一类积分加时滞环节，而某些一阶系统若其时间常数较大亦可以简化为积分环节。过程控制中总是把研究积分系统作为热点问题来对待，针对该问题也提出了很多控制方法。由于积分环节开环阶跃响应无法到达稳定状态，因此从本质上来讲积分系统是一个不稳定系统。现代工业自动化生产中诸多环节都是由积分时滞过程构成，但截止目前依然未受到广大工程技术人员的重视。例如实际流程工业中普遍存在的蒸馏塔底层传递函数的表达式为其实质上是一类非最小相位时滞系统。Morari根据内模控制的相关理论设计了针对该过程的控制器，仿真结果表明该算法具有良好的效果。然而，另外一类系统也是由积分加时滞对象所组成，但是从本质上来讲却是一类稳定过程，称之为组合积分过程。该类过程广泛存在于采矿、谷物加工、化工、烟草等常见的工业生产领域中。由于常规控制算法应用于组合积分过程时取得的效果较差，因此亟需一类新的适用于组合积分过程的新型控制算法。现有的组合积分控制结构如图1所示。下面列出5种典型组合积分对象的传递函数：这类对象的传递函数由两个或者多个积分时滞对象组合而成，并具有环节(1-e-τs)，故称之为组合积分系统，可表示为如下形式：给出的组合积分过程具有以下特点：1、组合积分过程的每一项均含有环节，保证系统开环稳定特性；2、时滞τ1i,τ2i需要满足：τ2i＝τ2(i-1)+τ1(i-1),1≤i≤n，保证系统开环响应具有连续性；3、在非左半平面即存在零点又存在极点，同时具备积分环节和非最小相位环节的相关性质。在流程工业中，钢铁热处理行业的双频淬火机床过程的传递函数具有(1-a)的形式、烟草行业中烟叶烘丝出口水分过程的传递函数具有(1-b)形式、转筒干燥器出口物料湿度对象的传递函数具有(1-c)的形式、卷烟厂膨胀烟丝出口水分过程的传递函数可以简化为(1-d)形式、打叶复烤行业回潮过程出口水分的传递函数具有(1-e)的形式。对于组合积分系统，即使是在无模型失配的情况之下，PID控制器的控制效果也很不理想，很难在响应速度和鲁棒稳定性之间取得平衡。同时，随着工业的高速度发展，对产品的质量、能源消耗和环境保护要求越来越高，对过程控制的精度要求也越来越高，传统的控制算法对组合积分对象的控制越来越不适应，迫切需要一种新的控制理论、方法和理念来指导组合积分控制系统的设计、整定和操作。因此，设计一种基于模型的控制算法是非常必要的。假设过程对象的传递函数具有式(1-b)的形式，而所期望的闭环传递函数的结构形式为：其中，τ10,τ20,λ是整定参数。当λ＝1，开环响应时间与闭环响应时间相同；当λ＞1，开环响应时间快于闭环响应时间；当λ＜1，开环响应时间慢于闭环响应时间。这样可以计算得出控制器的传递函数为：假设λ＝1,τ10＝τ1,τ20＝τ2,k0＝k，则有：控制器Gc的输入输出关系为：式(5)的第一项为比例项，第二项可以解释为控制器在t时刻的输出是基于控制器在时间[t-(τ10+τ20),t-τ20]的输出预测得出的，故该控制算法在实际的工业应用中简单易行。对该类控制器进行推广，可以应用到其他典型低阶系统，例如典型的一阶加纯滞后环节、二阶加纯滞后环节等。对组合积分控制器继续推广，可以应用到其他非组合积分对象上。2、多变量不稳定系统的组合积分控制结构在时域分析中，通常使用状态空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用动态解耦控制器将多变量不稳定系统解耦成多个独立的子系统；(2)针对多个独立的子系统设计组合积分控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用动态解耦控制器将多变量不稳定系统解耦成多个独立的子系统；(2)针对多个独立的子系统设计组合积分控制器。2.根据权利要求1所述的基于组合积分控制器多变量不稳定系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中多变量不稳定系统的时滞多变量控制对象其中，Gnn(s)表示输入到输出前向通道上的传递函...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，任正云，范智平，陈安钢，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31