化工多变量生产过程的解耦控制系统技术方案

一种化工多变量生产过程的解耦控制系统，由ｎ×ｎ维解耦控制器矩阵和多路信号混合器组成，其中ｎ是被控多变量过程的输出维数。利用系统设定点的ｎ维给定值输入信号与实际被控过程的ｎ维输出测量信号之间的偏差信号作为系统输出响应的反馈调节信息，经解耦控制器矩阵运算处理后，将ｎ维控制输出信号发送给被控过程的ｎ维输入调节装置，从而实现渐近跟踪系统给定值输入信号以及抑制负载干扰信号的目的。本发明专利技术的控制系统能够保持良好的鲁棒稳定性，可以在较大范围内适应实际被控过程的建模误差以及过程参数摄动。

Decoupling control system of chemical multivariable production process

A decoupling control system for multivariable process of chemical engineering is composed of n * n-dimensional decoupling controller matrix and multi channel signal mixer, in which n is the output dimension of controlled multivariable process. The system set point given n-dimensional value as feedback system output response regulation information deviation signal between the input signal and the actual controlled process of n-dimensional output measurement signal, the decoupling controller matrix after processing, the n dimensional control output signal is sent to the controlled process, the n-dimensional input adjusting device, so as to achieve asymptotic tracking system for a given value of the input signal the purpose of the load disturbance and suppression. The control system of the invention can keep good robust stability, and can adapt to the modeling error of the actual controlled process and the process parameter perturbation in a large range.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种化工多变量生产过程的解耦控制系统，是针对化工n×n维多输入多输出生产过程，以最优控制理论和鲁棒内模控制理论为基础，提出的一种新颖的解耦控制系统，属于工业过程控制

技术介绍
化工生产中普遍存在着多输入多输出过程。由于各个控制通道之间存在耦合作用，使得大多数已发展的单变量控制方法很难用于多输入多输出过程，尤其是对于含有明显时滞的过程，系统输出之间的耦合作用非常突出，会严重地恶化系统输出响应性能。因此，如何实施解耦控制和调节是目前的研究和应用难题。目前化工实践中，通常采用静态解耦器来减轻多变量控制系统的各路输出之间的耦合作用，即首先在被控过程的多路输入端处设置一个常数矩阵解耦器，其传递矩阵形式为被控过程的稳态增益传递矩阵的逆阵，然后对由此增广得到的被控过程传递矩阵利用已发展成熟的单变量控制设计方法来构造和整定控制系统。它的主要缺点是没有考虑控制系统动态响应阶段的耦合效应，使得各路系统输出的动态耦合仍然严重，从而导致控制质量不高。另一种在实践中较多采用的控制系统是多环控制系统(亦称分散控制系统)，即针对被控过程所要求配对的各个输入和输出设计控制闭环，通过调节每个控制闭环中的单一控制器，实现对各被控过程输出的调节和控制。这种控制系统的优点是控制操作简便，经济成本低廉，各个控制闭环的独立性强，但其主要缺点是没有从根本上解决各个系统输出之间的耦合作用，一般是通过在各个控制闭环的控制器中设置解调因子来实现在各个系统输出响应性能与相互解耦响应水平之间折衷，由此使得控制系统的调节水平较低，控制质量不高。有些学者提出采用被控过程传递函数矩阵的逆阵做为动态解耦器，将其设置在被控过程的多路输入端处，然后针对由此增广得到的对角化过程传递函数矩阵，按照已发展的多环控制系统的设计方法来构造实现控制系统，虽然能够取得明显改善的控制效果，但应用的局限性很大，不便于推广使用，例如不能用于被控过程传递函数矩阵的逆阵是不稳定的情况，然而这种情况在化工实践中是大量存在的。近期国际著名的Wang Q.-G.教授在文献《Non-interactingcontrol design for multivariable industrial processes》(多变量工业过程的无交联控制设计，发表在控制学科的国际权威刊物Journal of Process Control，2003，13，253-265.)中通过提出期望的单位反馈控制闭环传递函数矩阵来反向确定最优控制器矩阵，然后应用最小二乘法拟和最优控制器矩阵，从而求得线性逼近的控制器矩阵，简称Wang方法，它相对于已有的其它方法取得了最好的控制效果，但是控制器矩阵设计采用的是数值化方法，所需要的数据运算量相当大，不便于实际推广应用和在线调节。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对化工多输入多输出过程给出一种新颖的解耦控制系统，能够实现标称系统输出响应的几乎甚至完全解耦，实现系统输出响应之间的相互独立调节，从根本上解决常规多输入多输出控制系统中存在的输出响应之间严重耦合的弊端，并且可以广泛地应用于各种不同的多输入多输出过程。本专利技术给出的控制系统基于多变量输出单位反馈控制结构，利用实际过程的输出测量信号与系统设定点的给定值之间的偏差信号作为系统输出响应的调节信息，送入解耦控制器矩阵的输入端，经解耦控制器矩阵运算处理后，将控制输出信号发送给被控过程的输入调节装置，从而实现渐近跟踪系统给定值输入信号以及抑制负载干扰信号的目的。本专利技术的解耦控制系统由以下两部分组成n×n维解耦控制器矩阵和多路信号混合器。其中n是被控多变量过程的输出维数，解耦控制器矩阵的每列控制器中至少有一个控制器是由一个有理线性控制器串接一个控制闭环组成，其余的控制器均分别由一个有理线性控制器串接一个控制闭环和一个时滞补偿器组成。多路信号混合器设置在解耦控制器矩阵的输入端处，它有一组n维正极性输入端，一组n维负极性输入端和一组n维输出端，它的一组正极性输入端连接系统给定值输入信号，它的一组负极性输入端连接系统输出的测量信号，其一组输出端连接解耦控制器矩阵的输入端。解耦控制器矩阵的功能是对系统设定点的给定值输入信号与实际被控过程的输出测量信号之间的偏差信号进行处理和运算，提供被控过程工作所需要的n维输入能量，从而使被控过程的n维输出达到给定值的要求，同时，调节被控过程的n维输入量大小，达到消除负载干扰信号影响过程输出的目的。多路信号混合器的功能是将两组n维输入信号按照输入通道顺序混合为一组n维输出信号。实际运行本专利技术的解耦控制系统时，首先将控制系统的n维多路给定值输入信号分别按照工作要求依次送入多路信号混合器，经多路信号混合器处理后产生n维偏差控制信号，然后将其送入n×n维解耦控制器矩阵，由解耦控制器矩阵进行运算处理和放大，提供被控n×n维多输入多输出过程工作所需要的n维多路输入能量，从而使n维多路控制系统输出分别达到n维给定值输入信号的要求。当有负载干扰信号混入被控过程时，引起n维系统输出发生变化，从而使得n维偏差控制信号不为零，由其调节解耦控制器矩阵的n维输入量大小，产生相应变化的n维控制输出量加入到被控过程的n维多路输入端，因而能够抵消和平衡由负载干扰信号引起的系统输出变化和波动，达到渐近消除系统输出偏差的目的。需要说明，解耦控制器矩阵中的每个控制器均为单参数整定，而且每列控制器均由相同的可调参数λi(i＝1，2，n.)整定，对应的第i维系统输出响应yi(i＝1，2，n.)可以由λi单调地定量整定，本专利技术提出的解耦控制系统的突出优点是1.能够实现标称系统输出响应之间的几乎甚至完全解耦，从而克服了常规的多变量控制系统的输出响应之间耦合严重的弊端；2.能够分别定量地调节各系统输出的给定值响应，从而使控制系统的时域响应指标可以定量整定和估计；3.解耦控制器矩阵是基于鲁棒H2最优性能指标设计的，所以本专利技术给出的解耦控制系统能够使控制系统性能指标实现最优化；4.解耦控制器矩阵中的每个控制器均为单参数整定，而且每列控制器均由相同的调节参数整定，可以在线单调地定量调节；5.本专利技术给出的解耦控制系统是基于鲁棒控制原理设计的，所以控制系统能够保证良好的鲁棒稳定性，对于过程参数发生变化不敏感，可以在较大范围内适应被控过程建模误差以及过程参数摄动。因此本专利技术给出的解耦控制系统具有显著的优越性和实用性，能够在实际工业应用中表现出先进的控制效果。附图说明图1为本专利技术的解耦控制系统的方框原理图。图1中，C是指n×n维解耦控制器矩阵，G是指n×n维被控多输入多输出过程的传递函数矩阵，即C=c11···c1n·········cn1···cnn]]>G=g11··本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化工多变量生产过程的解耦控制系统，其特征在于由ｎ×ｎ维解耦控制器矩阵Ｃ和多路信号混合器组成，其中ｎ是被控多变量过程的输出维数，解耦控制器矩阵Ｃ的每列控制器中至少有一个控制器是由一个有理线性控制器串接一个控制闭环组成，其余的控制器均分别由一个有理线性控制器串接一个控制闭环和一个时滞补偿器组成，多路信号混合器设置在解耦控制器矩阵Ｃ的输入端处，它有一组ｎ维正极性输入端，一组ｎ维负极性输入端和一组ｎ维输出端，它的一组正极性输入端连接ｎ维系统给定值输入信号ｒ，它的一组负极性输入端连接ｎ维系统输出ｙ的测量信号，其一组输出端连接解耦控制器矩阵Ｃ的ｎ维输入端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，张卫东，顾诞英，李远贵，李锋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]