線性多變量時滯系統(tǒng)的魯棒整定策略與解耦方法研究.pdf

1、隨著先進(jìn)制造工藝的快速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)過程被構(gòu)造為高維多變量時滯系統(tǒng)。針對多變量系統(tǒng)設(shè)計高級的解耦和整定策略，已成為當(dāng)前迫切需求的現(xiàn)代控制技術(shù)之一。目前，已發(fā)展的解耦方法大多基于狀態(tài)空間的方法，設(shè)計過程復(fù)雜，控制器階次較高，往往因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)上的原因而難以在工業(yè)過程中實現(xiàn)。而且，在控制器整定問題上，依然采用數(shù)值化方法或反復(fù)試驗法來尋優(yōu)求解，運(yùn)算量大，不利于在線調(diào)節(jié)。因此，如何建立系統(tǒng)魯棒性能和時域性能之間的關(guān)系，發(fā)展定量的魯棒整定策略

2、，并進(jìn)一步提高解耦效果，是控制系統(tǒng)設(shè)計中亟待解決的關(guān)鍵問題。本文由多變量時滯系統(tǒng)中的單參數(shù)控制器入手，研究了魯棒整定問題，給出了依據(jù)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定條件和時域性能指標(biāo)，定量計算控制器參數(shù)的解析方法。并在此基礎(chǔ)上，采用頻域控制理論，發(fā)展了線性多變量時滯系統(tǒng)的解耦和調(diào)節(jié)策略。主要研究貢獻(xiàn)包括： 1)針對多變量時滯控制系統(tǒng)中的單參數(shù)對角矩陣控制器和全矩陣控制器，提出了一套魯棒整定策略。首先，給出了系統(tǒng)面臨乘性輸入、乘性輸出，以及加性不確定

3、性時，保證系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的充分條件，并依據(jù)此條件，提出了計算控制參數(shù)整定范圍的解析方法；然后，給出了參數(shù)估計方法，用來在參數(shù)整定范圍內(nèi)預(yù)測初始控制參數(shù)；最后，通過主導(dǎo)極點或幅值率調(diào)節(jié)方法，進(jìn)一步優(yōu)化出滿足時域設(shè)計指標(biāo)的控制參數(shù)值。該方法的優(yōu)點是，在系統(tǒng)魯棒性能、時域性能和參數(shù)調(diào)節(jié)問題之間建立了定量的關(guān)系，并將多參數(shù)調(diào)節(jié)問題轉(zhuǎn)化為一個主導(dǎo)極點或某一回路最大幅值率的調(diào)節(jié)問題，大大減小了可調(diào)變量的數(shù)目。而且，所采用的計算方法充分考慮了系統(tǒng)中耦

4、合的影響。與傳統(tǒng)反復(fù)試驗方法相比，能夠依照控制要求準(zhǔn)確、快速的整定出控制參數(shù)值。該策略的提出為下文解耦控制的設(shè)計，提供了參數(shù)調(diào)節(jié)的理論依據(jù)。 2)針對含有右半平面零點的多變量時滯系統(tǒng)，推廣了反向解耦方法，并提出了一種改進(jìn)的解耦控制策略。首先分析了反向解耦相對于理想解耦和簡單解耦的優(yōu)點，然后以常見的雙輸入雙輸出時滯系統(tǒng)為例，針對其含有多時滯和右半平面零點的特點，采用添加補(bǔ)償項的方法給出了反向解耦器的設(shè)計方法。其次，依據(jù)閉環(huán)穩(wěn)定條件

5、，分析了反向解耦控制的內(nèi)穩(wěn)定條件，給出了反向解耦結(jié)構(gòu)的適用范圍。針對不滿足此適用范圍的被控對象，通過改進(jìn)解耦控制策略，提出了一種解耦控制器的設(shè)計方法，從而突破了解耦控制穩(wěn)定條件的限制。最后，分析了以上兩種控制系統(tǒng)面臨乘性或加性不確定性時，保證系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的充分必要條件。 3)針對線性多變量方陣時滯系統(tǒng)，研究了單自由度和雙自由度控制方法。首先，將雙輸入雙輸出系統(tǒng)的解耦控制器設(shè)計方法，引申至線性多變量方陣時滯系統(tǒng)，發(fā)展了一種單自由

6、度的解耦控制方法，并依據(jù)魯棒整定策略，給出了單自由度控制中的參數(shù)調(diào)節(jié)策略。該方法的優(yōu)點是：解耦控制器矩陣中每列元素含有同一個控制參數(shù)，單調(diào)的整定此參數(shù)可直接調(diào)節(jié)相應(yīng)回路的輸出性能。其次，將近期文獻(xiàn)中一種單變量雙自由度控制方法推廣到多變量時滯系統(tǒng)中，并針對不同類別的干擾信號，分析了該方法的抗擾性能。同時，給出了當(dāng)控制系統(tǒng)存在乘性不確定性時，保證系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的充分必要條件。該方法的提出實現(xiàn)了分別優(yōu)化系統(tǒng)給定值跟蹤和干擾抑止性能的目的。

7、 4)針對線性多變量非方時滯系統(tǒng)，采用改進(jìn)的內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)，提出了一種魯棒解耦控制方法。通過在反饋回路中添加低階濾波器矩陣，來提高控制系統(tǒng)的魯棒性。當(dāng)系統(tǒng)面臨加性不確定性時，給出了保證系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的充分必要條件。此方法的優(yōu)點是：在同樣的標(biāo)稱性能下，具有比傳統(tǒng)內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)更大的魯棒穩(wěn)定裕度：且在標(biāo)稱情況下，調(diào)節(jié)某路控制參數(shù)時，系統(tǒng)的輸出特性并不受其它回路參數(shù)的影響，工程人員可以逐個的調(diào)節(jié)每一路控制參數(shù)，直至所有控制回路性能達(dá)到實際要求

8、，從而簡化了控制參數(shù)的調(diào)節(jié)過程。 5)針對多變量時滯系統(tǒng)解耦后，具有反向響應(yīng)的穩(wěn)定時滯系統(tǒng)和積分時滯系統(tǒng)，提出了一種控制器的解析設(shè)計方法。首先基于Pade近似理論將過程中存在的右半平面零點近似的轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的純滯后項，然后按照內(nèi)模控制理論，設(shè)計單參數(shù)PID控制器。并基于雙軌跡方法研究了控制器穩(wěn)定裕度的求解問題，給出了保證閉環(huán)控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的約束條件。通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)可以使系統(tǒng)在滿足魯棒性要求的前提下達(dá)到最優(yōu)的動態(tài)性能。這種設(shè)