基于常数对角优势补偿阵的多变量控制系统逆Nyquist阵列设计

化工过程中的多变量系统变量之间往往存在耦合作用,在控制系统设计时一般将传递函数阵对角优势化,对角优势化后按多个单变量系统进行设计。由于传递函数逆阵的对角优势化更容易实现,本文采用伪对角化方法设计常数对角优势补偿阵实现传递函数逆阵的对角优势化,在一个或多个频率点上通过使开环传递函数逆阵每行的非对角项元素模平方之和最小,实现对角优势。然后,利用逆Nyquist阵列设计法对补偿后的系统设计控制器,基于逆Nyquist稳定判据,通过绘制优势度曲线和Gershgorin带判断系统的优势程度,根据Gershgorin带选定反馈矩阵的参数范围,按照单变量控制系统的方法设计动态补偿器,使系统满足动态控制品质的要求。最后通过3个示例说明本文的设计方法简便,且具有良好的控制性能。     

基于PID对角优势补偿阵的过程多变量控制系统设计

化工过程一般为多变量系统,输入输出变量之间往往存在耦合作用,常规分散PID控制系统难以保证控制质量。为了削弱多变量系统的耦合作用,基于对角优势的设计准则,通过在若干频率点加权优化,设计PID动态预补偿阵。然后利用正Nyquist阵列设计法对补偿后的系统设计控制器,基于对角优势系统的Nyquist稳定判据,通过绘制优势度曲线和Gershgorin带判断系统的优势程度,初步确定反馈矩阵的稳定参数范围,再按照单输入单输出系统设计动态补偿器,使得系统满足动态控制品质要求。最后通过示例说明,该方法设计的集中控制系统与分散控制相比,控制性能具有一定的优势,且方法简便,容易实现。     

基于PID对角优势补偿阵的过程多变量控制系统设计

化工过程一般为多变量系统,输入输出变量之间往往存在耦合作用,常规分散PID控制系统难以保证控制质量。为了削弱多变量系统的耦合作用,基于对角优势的设计准则,通过在若干频率点加权优化,设计PID动态预补偿阵。然后利用正Nyquist阵列设计法对补偿后的系统设计控制器,基于对角优势系统的Nyquist稳定判据,通过绘制优势度曲线和Gershgorin带判断系统的优势程度,初步确定反馈矩阵的稳定参数范围,再按照单输入单输出系统设计动态补偿器,使得系统满足动态控制品质要求。最后通过示例说明,该方法设计的集中控制系统与分散控制相比,控制性能具有一定的优势,且方法简便,容易实现。     

化工过程多回路PID控制系统模式切换参数自整定

化工过程一般为多变量系统,但其主要控制方案为分散多回路PID常规控制。由于多变量系统内部存在不同程度的耦合作用,各控制回路之间存在相互影响,当其他回路进行手动/自动模式切换时,本回路等效被控对象将会发生突变,导致本回路的原有控制参数不能适应等效被控对象的变化,造成控制性能下降,甚至闭环系统不稳定。为避免这种情况的发生,从整个系统的角度研究控制回路模式切换时的稳定性,采用多变量频域Nyquist阵列设计法。基于对角优势下正Nyquist稳定性判据,从Gershgorin圆边界点的角度定量分析各个控制回路在模式切换前后的稳定性变化程度,从而确定各回路控制器增益的调整方向及程度,实现各回路的控制器参数在控制回路模式切换瞬间的自动整定,尽可能抵消控制回路模式切换对整个系统的扰动,保证整个系统的闭环稳定性。以Shell公司重油分馏塔的多回路PID控制系统为例,将3个PID控制回路依次投用时,根据Gershgorin圆边界点进行控制参数的自整定,闭环系统仍能保持一定的控制性能,否则闭环系统将不稳定。     

用Nyquist阵列法设计多变量控制系统的CAD程序包

Nyquist阵列法是多变量控制系统的一种简便的频域设计技术。笔者用BASIC语言编写了一个名叫CMNAD、用Nyquist阵列法设计多变量系统的人一机会话式CAD程序包。本文介绍该程序包的结构和主要算法,并给出一个用该程序包设计的例子。     

化工过程非方瘦系统的串级控制系统结构设计

化工过程一般为多变量系统,其中输出变量个数多于输入变量个数的非方多变量系统称为瘦系统,现有的非方系统控制结构设计一般采用方形化处理方法,只能形成一个输入变量与一个输出变量配对的单回路控制,要么作为工艺控制指标的重要变量不能成为被控变量,要么次要变量未纳入反馈控制,无法满足控制要求。本文介绍了非方系统的平均频域相对增益阵,对瘦系统进行了变量配对分析,提出了一种瘦系统串级控制系统结构设计方法。这种方法在不添加输入变量的同时有效利用了所有的输出变量反馈,使系统反馈信息更完备,构造了重要变量与次要变量结合的串级控制系统。最后通过实例分析说明了瘦系统的串级控制系统结构设计方法不仅能够得到合理的变量配对,而且系统控制性能良好,尤其在进行干扰抑制的过程中体现出了快速性和高效性。     

化工过程非方瘦系统的串级控制系统结构设计

化工过程一般为多变量系统，其中输出变量个数多于输入变量个数的非方多变量系统称为瘦系统，现有的非方系统控制结构设计一般采用方形化处理方法，只能形成一个输入变量与一个输出变量配对的单回路控制，要么作为工艺控制指标的重要变量不能成为被控变量，要么次要变量未纳入反馈控制，无法满足控制要求。本文介绍了非方系统的平均频域相对增益阵，对瘦系统进行了变量配对分析，提出了一种瘦系统串级控制系统结构设计方法。这种方法在不添加输入变量的同时有效利用了所有的输出变量反馈，使系统反馈信息更完备，构造了重要变量与次要变量结合的串级控制系统。最后通过实例分析说明了瘦系统的串级控制系统结构设计方法不仅能够得到合理的变量配对，而且系统控制性能良好，尤其在进行干扰抑制的过程中体现出了快速性和高效性。     

基于内模控制的Smith反向解耦控制器设计

针对多变量时滞系统提出了一种基于内模控制(Internal Model Control,IMC)的Smith动态解耦控制器设计方法。其中,Smith补偿器被应用在该控制结构中,包含带有时滞项和不带时滞项的补偿结构,以解决不能完全补偿的问题,通过反向解耦设计实现多变量时滞系统动态解耦。多变量系统被解耦成一系列互相独立的单回路对象,通过内模控制原理对Smith控制器进行参数整定,并分析了系统的鲁棒性。仿真实例表明了该方法的有效性,能够较好地克服系统参数扰动导致的干扰,并具有较好的动态性能。     

采用Butterworth传递函数设计二自由度纯滞后控制系统

采用Butterworth传递函数设计了纯滞后对象的状态反馈控制系统,针对纯滞后对象的状态反馈控制系统是单自由度的,提出一种采用Butterworth传递函数设计二自由度纯滞后控制系统的方法。用m阶模型逼近纯滞后因子,引入状态观测器,构成状态反馈子系统,再串入一个积分器,构成纯滞后过程的串级状态反馈控制系统,以n+1阶Butterworth传递函数为整个系统的目标函数,按状态反馈增益阵和状态观测器的协调优化设计状态反馈子系统。仿真结果表明了该方法设计的系统同时获得良好的给定值跟踪特性和干扰抑制特性。     

多变量多时滞非方系统的解耦内模控制

多变量复杂控制系统不仅具有多耦合和多时滞性,还具有结构上的复杂性,即输入输出不等,传递函数为奇异矩阵。传统的多变量内模控制是基于对非奇异对象求逆来进行的,因此很难解决这类问题。针对该情况引入矩阵论中的广义逆概念,通过求对象的广义逆矩阵来设计解耦内模控制器,打破了内模控制只能对方系统进行控制的局限性,并利用泰勒近似很好地解决了多滞后的问题,最后通过设计特殊形式的滤波器,不仅能够消除由纯滞后近似引入的不稳定极点,保证系统的稳定性,且能够保证系统的正则性。仿真结果表明,该方法不仅跟踪迅速,且继承了内模控制的无余差和强鲁棒性,动态解耦效果良好,仅对时滞变化较为敏感。由于系统基于内模控制设计,故模型匹配度越高,系统响应越好。     

IMPROVING CONTROL PERFORMANCE OF MULTIVARIABLE SYSTEMS BY MODIFICATION OF THE PROCESS DEADTIME STRUCTURE

A new multivariate deadtime control algorithm was designed in a previous paper. This algorithm, while very efficient, was developed under the restriction that the deadtimes on the diagonal of the transfer function matrix are less than the others in each row. In this paper, we further investigate this restriction's effect on the performance of the control system, and show that this restriction can be achieved by rearranging the order of the input variables and adding artificial delays. Several examples demonstrate the significance of the results.     

可调参数模糊PID控制的实现

介绍可调参数模糊PID控制的原理,给出模糊PID控制规则表,并在单片机应用中实现了模糊控制模块化编程,提供了模块的相关框图。实践表明,这种设计方法是可行的,基于这种方法实现的控制系统可靠性高,智能程度明显优于传统的控制系统,它实现简单、通用性强、工程调试方便。     

A Critical Study of Decentralized Controllers for a Multivariable System

Industrial processes are naturally multivariable in nature. A comparison of multivariable decentralized controllers has been performed and a multivariable four interconnected water tank system, which exhibits a RHP (Right Half Plane) zero is considered for decentralized control. The characteristics of a four‐tank system are discussed and a decentralized PI (Proportional‐Integral) controller is designed for the system based on various control algorithms. The algorithms are simulated using MATLAB and the performances are compared for reference tracking, disturbance rejection and model uncertainty cases. The comparison of the results show that the controllers based on Gershgorin band and Ideal relay method are suitable for the control of a four‐tank system.     

单螺杆挤出机压力-转速闭环控制系统传递函数研究

通过机理分析法求取了单螺杆挤出机的传递函数——机头压力与螺杆转速之间的动态关系，并通过系统辨识法对其结果进行了验证。结果表明单螺杆挤出机的传递函数是一个比例环节。利用此结果和闭环系统中其他环节的传递函数，给出了挤出机压力-转速闭环控制系统的数学模型。     

基于相角裕度优化的PID参数整定方法研究

针对复杂工业过程的大滞后、参数不确定等特性,提出一种新的鲁棒PID控制器参数整定方法.该方法通过使系统开环传递函数的相角裕度最大化,来求取各个PID参数.由于该方法的稳定裕量是通过取明确依赖于频率的模型来获得,从而避免了陷入保守性.仿真结果表明,使用本文提出的控制器整定方法,在命令输入发生阶跃变化时,控制系统都有很好的动态响应,同时在系统参数发生变化或存在未建模动态时,也能保证系统的稳定鲁棒性.     

Application of the method of inequalities to the multivariable control of binary distillation columns

The method of inequalities is used to design controllers for dual quality control of four binary distillation columns whose top and bottom compositions are controlled by manipulating reflux rate and steam. Two types of multivariable proportional-plus-integral controllers are designed and the performance of the system with these controllers is compared with that of non-interacting control. The results of implementing the simpler controller, which is represented by a diagonal matrix, on a computer-controlled packed distillation column are also presented.     

网络控制系统与网络化串级控制系统的结构分析

基于实际工业过程控制,引入了网络化串级控制系统的概念。针对网络控制系统中存在多个网络及多个控制回路,提出了节点设备连接阵和网络传输阵的概念。分析网络控制系统的三种典型结构形式,并用系统配置图、方框图以及节点设备连接阵和网络传输阵等方法描述了这三种不同结构的网络控制系统。在此基础上指出网络化串级控制系统的四种典型结构,并分别采用这三种方法进行描述。对网络控制系统和网络化串级控制系统结构的分析和描述,为系统的进一步分析和设计奠定了坚实的基础。