多变量时滞系统的动态解耦内模控制方法研究

发布时间：2017-08-13 13:06

  本文关键词：多变量时滞系统的动态解耦内模控制方法研究

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【摘要】：在实际化工工业过程中,广泛存在具有多时滞、强耦合、非最小相位的多变量系统。在多变量控制系统的分析与设计中,根据输入与输出数量的关系,具有方形系统与非方系统两种。在常见的多变量系统解耦方法中,由于静态解耦方法设计简单,响应快,该方法被广泛使用,但静态解耦未考虑系统的动态性能,解耦效果不佳,抗扰动恢复能力差。相比于静态解耦,动态解耦能够在所有频率范围内实现完全解耦,可获得更好的解耦效果和动态响应,但是现有针对含非最小相位零点的多变量时滞系统的动态解耦方法研究较为缺失,尤其是对非方系统的研究。因此针对含有非最小相位零点的多变量多时滞方形系统和非方系统的动态解耦控制方法研究,具有十分重要的意义和价值。本文基于内模控制原理,采用了改进型Butterworth滤波器对内模控制器中的传统滤波器进行了改进设计,研究了Butterworth滤波器的基本原理,分析了含有非最小相位零点的过程对象,给出了基于改进型Butterworth滤波器的内模控制器的详细设计步骤。仿真结果表明采用该方法可以使系统获得较好的动态响应,使得参数的调整能更有效地改善系统的快速性和鲁棒性。本文针对含有非最小相位零点的多变量多时滞方形系统和非方系统,提出了相应的多变量频域动态解耦控制方案。针对方形系统,本文提出了基于改进型Butterworth滤波器的多变量系统的动态解耦内模控制方法。该方法基于被控对象模型的伴随矩阵,根据求逆基本原理,首先设计解耦补偿器,接着针对解耦后的广义被控对象进行内模控制器的设计,其低通滤波器采用Butterworth滤波器(最大平坦滤波),进而得到一体的解耦内模控制器。仿真结果表明：本文所提出的方法动态解耦效果好,具有很好的动态响应特性,并且在模型失配或受到扰动时仍表现出较强的解耦性、鲁棒性和抗扰动恢复能力。针对非方系统的解耦控制,本文对方形系统的动态解耦控制方法进行了推广,提出了一种基于对象模型相关伴随矩阵一体化设计非方系统解耦内模控制器的动态完全解耦方法。首先,根据广义逆矩阵原理,巧妙设计非方系统的解耦补偿器,消除输入输出间的耦合。然后,一体化设计非方系统解耦内模控制器,处理了内模控制器设计中出现的不稳定极点、广义对象的非最小相位等不可实现因素。最后,设计反馈滤波器,增强系统的鲁棒性,并进行了鲁棒稳定性分析和灵敏度分析。仿真结果表明本方法具有显著的动态解耦效果,简化了被控对象的动态解耦设计控制器过程求逆的难度,提高了系统的控制精度及鲁棒性。
【关键词】：方形系统 非方系统 动态解耦内模控制 非最小相位零点 Butterworth滤波
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ056;TP273
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题的背景及意义16-17
• 1.2 多变量相关领域的研究现状17-22
• 1.2.1 多变量时滞系统频域控制理论17-19
• 1.2.2 多变量时滞系统常用控制结构19-21
• 1.2.3 多变量时滞系统常用解耦方法21
• 1.2.4 多变量时滞非最小相位系统概述21-22
• 1.3 待解决问题22-23
• 1.4 本文的研究内容和创新点23-26
• 第二章 内模控制原理26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 内模控制的一般结构26-28
• 2.3 内模控制的基本性质28-29
• 2.4 内模控制器的设计29-31
• 2.4.1 内模控制器的三种设计方法29-30
• 2.4.2 内模控制器的设计步骤30-31
• 2.5 内模控制器的鲁棒性分析31-34
• 2.6 小结34-36
• 第三章 基于Butterworth滤波器的内模控制器36-44
• 3.1 引言36
• 3.2 传统内模控制滤波器36-37
• 3.3 改进型Butterworth滤波器理论分析37-41
• 3.4 内模控制器的改进设计41-42
• 3.5 仿真研究42-43
• 3.6 小结43-44
• 第四章 多变量时滞系统的内模动态解耦分析44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 多变量系统的相关概念44-48
• 4.2.1 多变量系统的特点44-45
• 4.2.2 多变量系统的数学模型45-46
• 4.2.3 多变量系统的极点和零点46-48
• 4.3 多变量系统解耦控制结构48-50
• 4.3.1 内模控制结构分析48-49
• 4.3.2 动态解耦分析49
• 4.3.3 基于次最优的模型近似分析49-50
• 4.4 小结50-52
• 第五章 基于Butterworth滤波器的方形系统动态解耦控制方法52-68
• 5.1 引言52
• 5.2 方形系统动态解耦内模控制器设计52-56
• 5.2.1 方形系统解耦补偿器的设计53-54
• 5.2.2 基于次最优算法的模型近似54-55
• 5.2.3 基于Butterworth滤波器的一体化解耦补偿内模控制器设计55-56
• 5.2.4 方形系统反馈滤波器的设计56
• 5.3 仿真研究56-67
• 5.3.1 Wood-Berry模型56-62
• 5.3.2 Jerome-Ray模型62-67
• 5.4 小结67-68
• 第六章 非方非最小相位系统的动态解耦控制方法68-84
• 6.1 引言68
• 6.2 理论分析68-70
• 6.2.1 广义逆矩阵理论68-69
• 6.2.2 矩阵范数理论69-70
• 6.3 非方时滞系统的动态解耦内模控制器设计70-72
• 6.3.1 非方系统解耦补偿器的设计70-71
• 6.3.2 非方系统一体化解耦补偿内模控制器设计71-72
• 6.3.3 非方系统反馈滤波器的设计72
• 6.4 鲁棒性分析72-76
• 6.4.1 鲁棒稳定性分析72-74
• 6.4.2 灵敏度分析74-76
• 6.5 仿真研究76-82
• 6.6 小结82-84
• 第七章 结论与展望84-86
• 7.1 结论84-85
• 7.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 研究成果及发表的学术论文92-94
• 作者和导师简介94-95
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书95-96

【参考文献】

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本文编号：667415