一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法
一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于过程控制领域，设及对化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于化工过程中反应复杂，各变量之间相互影响、相互关联，针对此类对象，简单 的单回路控制已不能达到理想的控制效果，甚至导致系统不稳定。为了消除多变量过程各 变量之间的禪合作用，工程人员通常将多变量对象解禪为独立单回路对象进行控制。采用 的解禪方法一般分为静态解禪和动态解禪。静态解禪方法，只能在稳态时实现解禪，动态过 程变量之间仍存在禪合作用，不能进行完全解禪，使得控制效果并不理想。为了弥补静态解 禪方法的不足，不少学者提出了动态解禪的方法，如简单解禪、理想解禪、反向解禪。简单解 禪的方法解禪器形式简单，但解禪后的对象复杂，控制器设计较难；理想解禪广义对象的形 式简单，但解禪器形式复杂。而反向解禪汲取了两种解禪方式的优点，解禪器结构简单的同 时，广义对象的形式也简单。
[0003] 化工变量过程大多存在滞后的特性，大时滞的存在严重影响了系统的控制效果。 为了解决时滞带来的影响，针对单变量过程的控制方法相继提出。一些学者将其推广到多 变量对象的控制中，但由于不能进行完全时滞补偿，控制性能没有较大的提升。因此，如何 能够针对化工多变量对象进行完全时滞补偿，同时将多变量对象动态解禪为独立单回路进 一步提高控制性能，成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 化工多变量过程的强禪合性及时滞问题一直是控制的难点，为了克服现有技术的 不足，本发明提供一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 控制方法结构如图1所示，其中包含控制模块，解禪模块，反馈控制模块。针对多 变量对象，对W上=个模块分别进行设计。
[0007] 1、反馈控制模块如图3所示，包括；控制器c(s)的输出同时作用于解禪器K(s)、 解禪后广义对象的模型Q(S)、解禪后广义对象的模型不含时滞部分妒(S)。其中，解禪后广 义对象Q(S)为对象矩阵，即解禪后各通道之间互不干扰，表示如下：
[000引Q(S) =diag{qu(S),…，q" (S),…(S)}
[0009] 其中，diag为对角矩阵，qii(s)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函 数。
[0010] 解禪后广义对象的模型不含时滞部分妒(S)表示为：
[0011]
【主权项】
1. 一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于包括： 根据化工多变量对象设计解耦模块，获得解耦后的广义对象；针对解耦后的广义对象 进行控制模块和反馈控制模块的设计； 解耦模块，用于将多变量对象解耦为独立的多回路单变量对象； 控制模块，用于对解耦后的多回路单变量对象进行控制达到生产的控制需要； 反馈控制模块，用于提高系统的性能和鲁棒性，确保在模型失配时系统的性能及稳定 性。
2. 如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 所述的反馈控制模块，包括：控制器C(S)的输出同时作用于解耦器K(S)、解耦后广义对象 的模型Q( s)、解耦后广义对象的模型不含时滞部*Q°(S);其中，解耦后广义对象Q(S)为对 象矩阵，即解耦后各通道之间互不干扰，表示如下： Q(s) = (Iiagiq11 (s)，…，qn (s)，…qm(s)} 其中，diag为对角矩阵，(s)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函数； 解耦后广义对象的模型不含时滞部分Q°(s)表示为：
其中，W(S)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函数不含时滞部分； Q(s)与Qci(S)的关系表不为： Q(s) = Q0(S)E(S) 其中
' 为第i个输入通道，第i个输出通道之 间的时滞项，Hlii为第i个输入通道，第i个输出通道之间的滞后时间； 当系统模型与对象匹配时，系统为开环控制，系统的输出与设定值之间的关系表述 为： Y (s) = Q (s) C (s) [I+Q° (s) C (s) F1R (s) 其中，I为单位矩阵，R(S)为系统的设定值，即工业生产时需要达到的性能值；C(S)为 控制器的传递函数； 在实际工业对象的输出与广义对象模型输出的差值后增加滤波器F(S) ;F(s)形式如 下：
λ i为第i个通道的滤波器参数，滤波器参数取为多变量过程传递函数相应行最大时滞 的一半。
3. 如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 所述的控制模块采用内模控制规律对控制模块进行设计； 内模控制器表示为： Cimc(S) = C(S) [RQ0(S)C(S)]-1 根据等价关系得到控制器的表达式： C(s) = [I-Cimc (s) Q0 (s) !T1Cimc (s) 〇
4.如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 解耦模块采用反向解耦方法将多变量过程解耦为多个独立的单回路过程；解耦模块分为两 部分，Kd(S)为前向通道部分，Ko(S)为反向通道部分；解耦模块K(S)表述为： K (s) = Kd (s) [ (I-Ko (s) Kd (s)) Γ1 将K (s)求逆得到： IT1(S) = [(I-Ko (s) Kd (S))] KcT1 (s) =KcT1 (s) -Ko (s) 假设解耦后系统的广义对象为Q(s) = G(S)K(S)，则解耦模块的逆为： IT1(S) = GT1(S)G(S) 由此得到解耦器的计算公式为： KcT1 (s) -Ko (s) = CT1 (s) G (s) 增加时滞补偿项保证解耦器的 物理可实现，时滞补偿项表示如下：
其中，为第i个输入通道，第i个输出通道补偿的时滞项，Θ i为第i个输入通道， 第i个输出通道补偿的滞后时间。
【专利摘要】本发明公开了一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。该控制方法包括，控制模块，用以对多变量过程进行控制达到要求的控制指标；解耦模块，用以将多变量过程动态解耦为多个独立的单变量对象；反馈控制模块，用以给出预估反馈信息，同时增加系统的鲁棒性。本发明的优点：(1)弥补了传统控制方法不能实现完全时滞补偿的不足；(2)使用反向解耦，解耦器的实现形式简单。(3)反馈控制模块中加入滤波器提升系统鲁棒性。针对多变量过程，本发明能实现有效控制，可推广。
【IPC分类】G05B19-418
【公开号】CN104865922
【申请号】CN201510125868
【发明人】靳其兵, 李敏, 王元飞, 王琪
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月21日
【技术领域】
[0001] 本发明属于过程控制领域，设及对化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于化工过程中反应复杂，各变量之间相互影响、相互关联，针对此类对象，简单 的单回路控制已不能达到理想的控制效果，甚至导致系统不稳定。为了消除多变量过程各 变量之间的禪合作用，工程人员通常将多变量对象解禪为独立单回路对象进行控制。采用 的解禪方法一般分为静态解禪和动态解禪。静态解禪方法，只能在稳态时实现解禪，动态过 程变量之间仍存在禪合作用，不能进行完全解禪，使得控制效果并不理想。为了弥补静态解 禪方法的不足，不少学者提出了动态解禪的方法，如简单解禪、理想解禪、反向解禪。简单解 禪的方法解禪器形式简单，但解禪后的对象复杂，控制器设计较难；理想解禪广义对象的形 式简单，但解禪器形式复杂。而反向解禪汲取了两种解禪方式的优点，解禪器结构简单的同 时，广义对象的形式也简单。
[0003] 化工变量过程大多存在滞后的特性，大时滞的存在严重影响了系统的控制效果。 为了解决时滞带来的影响，针对单变量过程的控制方法相继提出。一些学者将其推广到多 变量对象的控制中，但由于不能进行完全时滞补偿，控制性能没有较大的提升。因此，如何 能够针对化工多变量对象进行完全时滞补偿，同时将多变量对象动态解禪为独立单回路进 一步提高控制性能，成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 化工多变量过程的强禪合性及时滞问题一直是控制的难点，为了克服现有技术的 不足，本发明提供一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 控制方法结构如图1所示，其中包含控制模块，解禪模块，反馈控制模块。针对多 变量对象，对W上=个模块分别进行设计。
[0007] 1、反馈控制模块如图3所示，包括；控制器c(s)的输出同时作用于解禪器K(s)、 解禪后广义对象的模型Q(S)、解禪后广义对象的模型不含时滞部分妒(S)。其中，解禪后广 义对象Q(S)为对象矩阵，即解禪后各通道之间互不干扰，表示如下：
[000引Q(S) =diag{qu(S),…，q" (S),…(S)}
[0009] 其中，diag为对角矩阵，qii(s)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函 数。
[0010] 解禪后广义对象的模型不含时滞部分妒(S)表示为：
[0011]
【主权项】
1. 一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于包括： 根据化工多变量对象设计解耦模块，获得解耦后的广义对象；针对解耦后的广义对象 进行控制模块和反馈控制模块的设计； 解耦模块，用于将多变量对象解耦为独立的多回路单变量对象； 控制模块，用于对解耦后的多回路单变量对象进行控制达到生产的控制需要； 反馈控制模块，用于提高系统的性能和鲁棒性，确保在模型失配时系统的性能及稳定 性。
2. 如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 所述的反馈控制模块，包括：控制器C(S)的输出同时作用于解耦器K(S)、解耦后广义对象 的模型Q( s)、解耦后广义对象的模型不含时滞部*Q°(S);其中，解耦后广义对象Q(S)为对 象矩阵，即解耦后各通道之间互不干扰，表示如下： Q(s) = (Iiagiq11 (s)，…，qn (s)，…qm(s)} 其中，diag为对角矩阵，(s)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函数； 解耦后广义对象的模型不含时滞部分Q°(s)表示为：
其中，W(S)为第i个输入通道，第i个输出通道之间的传递函数不含时滞部分； Q(s)与Qci(S)的关系表不为： Q(s) = Q0(S)E(S) 其中
' 为第i个输入通道，第i个输出通道之 间的时滞项，Hlii为第i个输入通道，第i个输出通道之间的滞后时间； 当系统模型与对象匹配时，系统为开环控制，系统的输出与设定值之间的关系表述 为： Y (s) = Q (s) C (s) [I+Q° (s) C (s) F1R (s) 其中，I为单位矩阵，R(S)为系统的设定值，即工业生产时需要达到的性能值；C(S)为 控制器的传递函数； 在实际工业对象的输出与广义对象模型输出的差值后增加滤波器F(S) ;F(s)形式如 下：
λ i为第i个通道的滤波器参数，滤波器参数取为多变量过程传递函数相应行最大时滞 的一半。
3. 如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 所述的控制模块采用内模控制规律对控制模块进行设计； 内模控制器表示为： Cimc(S) = C(S) [RQ0(S)C(S)]-1 根据等价关系得到控制器的表达式： C(s) = [I-Cimc (s) Q0 (s) !T1Cimc (s) 〇
4.如权利要求1所述的一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法，其特征在于， 解耦模块采用反向解耦方法将多变量过程解耦为多个独立的单回路过程；解耦模块分为两 部分，Kd(S)为前向通道部分，Ko(S)为反向通道部分；解耦模块K(S)表述为： K (s) = Kd (s) [ (I-Ko (s) Kd (s)) Γ1 将K (s)求逆得到： IT1(S) = [(I-Ko (s) Kd (S))] KcT1 (s) =KcT1 (s) -Ko (s) 假设解耦后系统的广义对象为Q(s) = G(S)K(S)，则解耦模块的逆为： IT1(S) = GT1(S)G(S) 由此得到解耦器的计算公式为： KcT1 (s) -Ko (s) = CT1 (s) G (s) 增加时滞补偿项保证解耦器的 物理可实现，时滞补偿项表示如下：
其中，为第i个输入通道，第i个输出通道补偿的时滞项，Θ i为第i个输入通道， 第i个输出通道补偿的滞后时间。
【专利摘要】本发明公开了一种化工多变量过程的完全时滞补偿控制方法。该控制方法包括，控制模块，用以对多变量过程进行控制达到要求的控制指标；解耦模块，用以将多变量过程动态解耦为多个独立的单变量对象；反馈控制模块，用以给出预估反馈信息，同时增加系统的鲁棒性。本发明的优点：(1)弥补了传统控制方法不能实现完全时滞补偿的不足；(2)使用反向解耦，解耦器的实现形式简单。(3)反馈控制模块中加入滤波器提升系统鲁棒性。针对多变量过程，本发明能实现有效控制，可推广。
【IPC分类】G05B19-418
【公开号】CN104865922
【申请号】CN201510125868
【发明人】靳其兵, 李敏, 王元飞, 王琪
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年3月21日
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