多变量解耦自抗扰控制在气体流量装置中的应用

针对气体流量装置实验管路流量、压力耦合系统,通过机理法和阶跃响应法建立了其数学模型,并利用自抗扰解耦控制算法实现其解耦控制,以保证气体流量计性能测试过程的稳定性和控制快速性。对于气体流量装置多变量系统,自抗扰控制算法将耦合以及所有的内部不确定性和外部扰动都归结到总扰动中,通过扩张状态观测器和控制律对总扰动进行估计和补偿,使原系统被解耦成两个单输入单输出的子系统并利用PD控制器完成控制。自抗扰控制算法使系统在实现解耦的同时既减弱算法对于模型的依赖,又提高了系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,与PID控制算法相比,自抗扰控制算法调节时间更快,解耦效果更好,对扰动的抑制效果更优,性能鲁棒性更强。     

多变量解耦自抗扰控制在气体流量装置中的应用

针对气体流量装置实验管路流量、压力耦合系统,通过机理法和阶跃响应法建立了其数学模型,并利用自抗扰解耦控制算法实现其解耦控制,以保证气体流量计性能测试过程的稳定性和控制快速性。对于气体流量装置多变量系统,自抗扰控制算法将耦合以及所有的内部不确定性和外部扰动都归结到总扰动中,通过扩张状态观测器和控制律对总扰动进行估计和补偿,使原系统被解耦成两个单输入单输出的子系统并利用PD控制器完成控制。自抗扰控制算法使系统在实现解耦的同时既减弱算法对于模型的依赖,又提高了系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,与PID控制算法相比,自抗扰控制算法调节时间更快,解耦效果更好,对扰动的抑制效果更优,性能鲁棒性更强。     

工业过程多变量系统的辅助常规控制设计

利用PID控制器对多变量系统进行控制,主要采取分散常规控制或解耦控制的策略。对于存在耦合的系统,分散常规控制无法消除各变量间的相互扰动,而直接设计动态解耦矩阵有时候会存在困难,静态解耦的效果却并不明显。针对已设计好分散常规控制器的方系统,以解耦为目标和原则,设计多变量系统中分散常规控制方案剩余配对的控制器作为辅助控制器,以频域近似的方法整定其PID参数,实现多输入多输出的控制结构,降低了各变量的相互耦合作用,提高了控制性能。通过对Shell公司的典型控制问题的辅助控制器设计与仿真实验,取得了比原有分散常规控制与静态解耦控制更好的控制效果,验证了控制策略的可行性与有效性。     

强制循环蒸发系统线性自抗扰解耦控制的鲁棒设计

针对强制循环蒸发系统液位与出料密度两个回路的非线性耦合问题,提出了一种基于粒子群算法的线性定常自抗扰解耦控制设计。首先通过引入虚拟控制量,将对象解耦配置为两个单输入单输出子系统,并对每个回路设计降维线性扩张状态观测器。随后,对观测器动态线性化得到的近似积分器环节进行比例控制。最后,在可能的大工况内通过粒子群算法优化控制增益耦合矩阵和比例增益。该算法使用观测器估计并补偿动态耦合部分,降低了控制器对数学模型的依赖程度;使用粒子群算法优化定常控制增益矩阵,避免了实时测量出料温度,降低了对传感测量的要求,提高了可靠性并降低了实施难度。数学仿真结果表明该算法能有效地消除液位回路和出料密度回路的耦合作用,在大工况内具有很强的鲁棒性。     

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。     

基于BP网络的流浆箱双变量PID解耦控制

针对造纸工业中的气垫式流浆箱总压与浆位的非线性、强耦合特性,在分析与总结BP神经网络、PID控制等优点的基础上,设计了一种基于BP神经网络的双变量PID解耦控制器。该控制器可利用神经网络所具有的任意非线性表达能力,根据系统现场的运行状态,按照人为设定的性能指标,通过自学习和权值调整来整定PID控制的比例(kp)、积分(ki)、微分(kd)三个参数,最终实现具有最佳组合的PID控制,进而实现了气垫式流浆箱总压与浆位的解耦控制。同时,还针对气垫式流浆箱的线性模型和非线性模型进行了仿真,仿真结果表明:该解耦控制器具有实现简单、动态响应快、控制精度高等特点,有较高的实用价值。     

基于粒子群优化算法的球磨机制粉系统PID-ANN解耦控制器

球团厂钢球磨煤制粉系统是多变量强耦合、时滞、非线性以及生产工况变化大的复杂对象,其自动控制问题一直是控制界关注的热点。基于粒子群算法具有对整个参数空间进行高效并行搜索的特点以及PID神经网络的自调节和自适应特性,设计了具有PID结构的多变量自适应神经网络控制器。PID神经网络解耦控制方法被用来消除回路之间的耦合,神经网络连接权值由粒子群算法进行学习优化。仿真研究表明所建模型和所提控制方法具有较好的控制品质、良好的自适应解耦能力和自学习功能。该控制策略可在大范围内克服系统的非线性和强耦合问题,具有很高的工程实用价值。     

对角CARIMA模型抗扰约束广义预测控制

针对存在输入和输入增量约束的多变量系统,提出了一种基于变权重的对角CARIMA模型抗扰动约束广义预测控制算法。根据对角CARIMA模型中的A和C矩阵为对角形式的特点,将多输入多输出系统分解为多个多输入单输出系统进行预测和控制,简化了控制器的设计,降低了变量之间的耦合性。根据模型预测值与参考轨迹之间的偏差实时调整目标函数中各输出跟踪误差的权重,达到抑制由耦合而造成回路之间扰动的目的。权重调整的基本原则是,每个输出的预测值跟踪参考轨迹的权重由其他输出在同时刻偏离其参考轨迹的误差平方加权和构成。当某个输出偏离其目标值时,其他输出的控制作用相对增强,避免输出之间的相互扰动,达到抑制扰动的目的。同时,分析了系统输入和输入增量约束的表达形式。利用多变量广义预测控制(MGPC)以及提出的扰动抑制方法,分别对Shell重油分馏问题进行了仿真实验,仿真结果验证了算法的有效性。     

对角CARIMA模型抗扰约束广义预测控制

针对存在输入和输入增量约束的多变量系统,提出了一种基于变权重的对角CARIMA模型抗扰动约束广义预测控制算法。根据对角CARIMA模型中的A和C矩阵为对角形式的特点,将多输入多输出系统分解为多个多输入单输出系统进行预测和控制,简化了控制器的设计,降低了变量之间的耦合性。根据模型预测值与参考轨迹之间的偏差实时调整目标函数中各输出跟踪误差的权重,达到抑制由耦合而造成回路之间扰动的目的。权重调整的基本原则是,每个输出的预测值跟踪参考轨迹的权重由其他输出在同时刻偏离其参考轨迹的误差平方加权和构成。当某个输出偏离其目标值时,其他输出的控制作用相对增强,避免输出之间的相互扰动,达到抑制扰动的目的。同时,分析了系统输入和输入增量约束的表达形式。利用多变量广义预测控制（MGPC）以及提出的扰动抑制方法,分别对Shell重油分馏问题进行了仿真实验,仿真结果验证了算法的有效性。     

基于鲁棒模型优化的工艺设计与控制系统集成

采用一种基于鲁棒模型优化方法求解工艺设计与控制集成问题,其核心思想是采用参数不确定状态空间模型描述闭环系统的非线性行为,基于该模型以及二次李雅普诺夫函数可估计系统在外部扰动作用下过程变量变化的最大边界,同时也可测试系统的鲁棒稳定性。该方法避免了求解集成优化问题常用的动态优化方法,可将其转化成一个非线性规划问题。该方法应用于CSTR反应过程的集成优化设计中,结果表明在存在外部扰动时,不仅可以保证过程的经济性能和动态性能,也可保证系统的鲁棒稳定性。     

PVC反应釜釜温自抗扰控制器设计

针对反应釜釜温过程控制中存在时变性、非线性、不确定性和多干扰性的问题,在分析自抗扰技术的基础上,采用PD控制器代替非线性反馈部分对补偿后的串联积分式对象进行控制的方法,设计了反应釜釜温动态模型的自抗扰控制器。仿真结果表明：在缺乏对象精确数学模型的情况下,该系统表现出良好的静、动态品质。同时,通过Monte—Carlo实验方法验证了系统具有较强的鲁棒性。     

基于变结构扩张状态观测器的状态PI控制器

传统的状态PI控制器只适用于单输入单输出（SISO）线性系统。针对这一不足,将“变结构扩张状态控制器”技术应用到状态PI控制器中,使改进后的控制器适用于非线性系统控制。同时发挥了变结构控制理论的优势,既保留了原控制器的优点又减少了可调参数。仿真结果验证了新状态PI控制器具有良好的稳定性和鲁棒性。     

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。     

基于自抗扰控制器的直流双闭环调速系统

一种新型的直流调速系统,速度环采用自抗扰控制器,该控制器对系统的内部扰动和外部扰动进行观测,并加以补偿。仿真结果表明,采用自抗扰控制器具有较好的动态性能、鲁棒性和无超调。该技术广泛应用于化工厂机泵系统中。     

基于自适应解耦的加热炉燃烧系统控制

钢坯加热炉具有多个温区,各温区存在着较强的耦合性,具有大惯性、大时滞及不确定性等特点,运行中还存在着负荷变化及燃气压力波动等扰动。由于建立准确数学模型很困难,使得一些解耦方法难以应用。针对加热炉的特点,提出了基于增益自适应的解耦方法,有效克服了模型偏差或系统参数摄动的影响。在解耦合的基础上,对各温区设计了温度串级双闭环交叉限幅比值控制。仿真结果表明:在系统参数大幅度摄动时,具有良好的解耦能力和优良的控制性能。     

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。