复杂系统新型内模控制方法的研究

发布时间：2017-10-16 09:07

  本文关键词：复杂系统新型内模控制方法的研究

  更多相关文章： 内模控制 频域辨识 矩形系统 奇异对象 结构秩亏 解耦内模控制器 Moore-Penrose广义逆 广义系统

【摘要】：内模控制作为先进控制中的一种新型控制策略,因其具有设计原理直观简便,且易于调整、鲁棒性强等特点,在复杂工业过程多变量控制中被大量应用。但当前对于多变量系统的内模控制研究多是针对满秩的方系统或矩形系统,当被控对象为秩亏系统或广义系统时,如何采用内模控制方法研究这些非常规系统的控制问题,是本文的主要研究,包括：1.将频域辨识和内模控制结合起来,提出了一种基于频域分析辨识的内模控制方案。首先利用频域辨识方法获得被控系统较为精确的数学模型,然后把辨识得到的数学模型看做系统的内模模型,进而设计内模控制器,实现系统的期望性能。同时,通过分析衰减因子与控制对象各参数之间的关系,给出了衰减因子的取值范围,并采用NPSO优化算法选搜索最优衰减因子,提高了辨识的精度。2.研究了一类大时滞矩形系统的内模控制问题,提出了一种基于约束等价传递函数的直接解耦内模控制器设计方法。此方法根据等价传递函数和系统模型逆的关系,设计被控系统的内模控制器,进而实现系统的完全解耦以及设定值跟踪特性。通过合理的设计反馈回路的滤波器参数,使系统的鲁棒性得到了提高。3.针对奇异对象无法直接求取模型逆的问题,提出了一种基于类前馈解耦的奇异对象的内模控制新方法。为了克服这个问题,本方法首先采用类前馈解耦对被控对象进行解耦,然后对解耦后的广义系统设计内模控制器。并分析了系统的鲁棒稳定性,给出了系统能够保证鲁棒稳定的条件。为了提高系统的鲁棒性能,以IAE为性能指标,采用NLJ算法对控制器的滤波参数进行了优化。4.提出了矩形秩亏系统的两种内模控制方法。一种是基于满秩分解的内模控制方法,一种是基于阻尼伪逆的内模控制方法。前者利用满秩分解的性质设计前馈补偿器和内环反馈补偿器,然后采用非方相对增益矩阵子系统选择标准选择被控子系统,在保证辅助输出稳定的前提下实现被控子系统的满意控,易于实现。后者通过引入阻尼因子,计算系统矩阵的阻尼伪逆,然后设计基于阻尼伪逆的内模控制器,设计原理直观简单。5.打破了内模控制只能应用到常规系统的局限性,提出了多变量广义系统的内模控制方法。通过将广义系统转化成快慢子系统,给出了两种基于时间尺度变换的内模控制结构。一种是快慢子系统并联的内模控制结构,一种是主从内模控制方法。两种设计方法都是通过设计合理的前馈补偿器消除快子系统的脉冲,将其处理为慢子系统的外部干扰或模型不确定性,进而设计慢子系统的内模控制器,得到期望的性能指标。相较于前一种结构,主从内模控制在前馈通道上增加了一个具有PI结构的鲁棒控制器,具有更强的鲁棒性和抗干扰能力。
【关键词】：内模控制 频域辨识 矩形系统 奇异对象 结构秩亏 解耦内模控制器 Moore-Penrose广义逆 广义系统
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP13
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第一章 绪论18-28
• 1.1 论文选题的背景及意义18-19
• 1.2 多变量系统的特点19-20
• 1.3 多变量系统的控制方法20-21
• 1.3.1 分散控制20
• 1.3.2 集中控制20-21
• 1.4 内模控制在多变量系统中的应用21-23
• 1.4.1 方系统内模控制的研究现状21-22
• 1.4.2. 非方系统内模控制的研究现状22-23
• 1.5 内模控制与经典反馈控制方法的比较23-25
• 1.5.1 内模控制与标准反馈控制的比较23-24
• 1.5.2 内模控制与PID参数整定的关系24-25
• 1.6 本论文的主要工作25-28
• 第二章 基于频域辨识的内模控制器设计28-50
• 2.1 引言28-29
• 2.2 问题的提出29-30
• 2.3 单变量系统的频域辨识方法30-33
• 2.3.1 开环系统的频域分析30-32
• 2.3.2 闭环系统的频域分析32-33
• 2.4 输入信号的讨论33-36
• 2.5 衰减因子a36-41
• 2.5.1 衰减因子a对开环辨识的影响36-38
• 2.5.2 衰减因子对闭环系统辨识的影响38-40
• 2.5.3 衰减因子对系统辨识影响的分析40
• 2.5.4 衰减因子的选择40-41
• 2.6 基于频域辨识的内模控制器设计41-49
• 2.6.1 一阶纯滞后(FOPDT)系统开环辨识及内模控制仿真42-46
• 2.6.2 二阶纯滞后(SOPDT)系统的闭环辨识及内模控制器仿真46-49
• 2.7 本章小结49-50
• 第三章 基于约束等价传递函数的一类大滞后矩形系统的内模控制方法研究50-74
• 3.1 引言50-51
• 3.2 控制问题描述51
• 3.3 矩形系统的等价传递函数51-60
• 3.3.1 等价传递函数的描述52-53
• 3.3.2 等价传递函数与系统传递函数间的关系53-55
• 3.3.3 等价传递函数的计算55-60
• 3.4 基于约束等价传递函数的大滞后矩形系统的内模控制60-64
• 3.4.1 基于约束等价传递函数的内模控制器设计60-63
• 3.4.2 反馈滤波器的设计63-64
• 3.4.3 鲁棒稳定性分析64
• 3.5 仿真实验64-73
• 3.6 小结73-74
• 第四章 基于类前馈解耦的时滞奇异对象的内模控制方法研究74-100
• 4.1 引言74-75
• 4.2 控制问题描述75
• 4.3 多变量系统的解耦分析75-76
• 4.4 多变量系统的解耦方法分析76-78
• 4.5 基于类前馈解耦的时滞奇异对象的内模控制器设计78-87
• 4.5.1 类前馈解耦器的设计78-81
• 4.5.2 内模控制器设计81-85
• 4.5.3 解耦系统的稳定性分析85
• 4.5.4 控制器参数化整定85-87
• 4.6 仿真分析87-98
• 4.6.1 非奇异对象87-93
• 4.6.2 奇异对象93-98
• 4.7 本章小结98-100
• 第五章 基于满秩分解的矩形秩亏系统的鲁棒内模控制100-120
• 5.1 引言100
• 5.2 控制问题的提出100-101
• 5.3 相关定义及引理101-103
• 5.3.1. Moore-Penrose广义逆101-102
• 5.3.2. 满秩分解102
• 5.3.3. 非方相对增益矩阵(NRG)102-103
• 5.4 基于满秩分解的结构秩亏系统的内模控制103-109
• 5.4.1 结构秩亏系统的分解103-104
• 5.4.2 前馈补偿器的设计104
• 5.4.3 受控子系统的选择104-107
• 5.4.4 内模控制器的实现107-109
• 5.5 仿真研究109-119
• 5.6 小结119-120
• 第六章 基于阻尼伪逆的矩形秩亏系统的内模主动容错控制120-136
• 6.1 引言120-121
• 6.2 控制问题描述121-123
• 6.3 基于阻尼伪逆的矩形秩亏系统的内模主动容错控制123-128
• 6.3.1 时滞近似123-124
• 6.3.2 基于阻尼伪逆的内模主动容错控制器设计124-127
• 6.3.3 基于奇异值分解的系统稳态性能分析127-128
• 6.4 鲁棒性分析128-130
• 6.5 仿真分析130-135
• 6.6 本章小结135-136
• 第七章 基于受限等价的广义系统的鲁棒内模控制136-158
• 7.1 引言136
• 7.2 控制问题的提出136-138
• 7.3 广义系统的受限等价分解138-139
• 7.4 具有并联结构的广义系统的内模控制139-141
• 7.4.1 慢子系统的IMC控制器设计140
• 7.4.2 消除脉冲的动态补偿器140-141
• 7.5 具有主-从控制结构的广义系统的内模控制141-146
• 7.5.1 消除脉冲的动态补偿器142-143
• 7.5.2 慢子系统的IMC控制器143
• 7.5.3 鲁棒控制器143-146
• 7.6 控制器参数优化146
• 7.7 仿真分析146-157
• 7.7.1 无脉冲模型146-151
• 7.7.2 脉冲可控模型151-157
• 7.8 小结157-158
• 第八章 总结与展望158-160
• 8.1 全文总结158-159
• 8.2 今后工作展望159-160
• 参考文献160-170
• 致谢170-172
• 研究成果及发表的学术论文172-174
• 作者和导师简介174-176
• 附件176-177

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本文编号：1041804