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。     

多变量时滞系统的关联分析与变量配对

对于多变量时滞系统,回路间的关联分析和变量配对是控制系统设计的第一步。在RNGA变量配对方法的基础上,对其时滞考虑不足进行改进并得到一种新的基于能量消耗的变量配对方法,新方法是在时域内基于传递函数的阶跃响应进行推导得到的。最后通过实例分析验证这种方法能很好地平衡时滞与时间常数。     

基于信号叠加原理的信号解耦方法

为了研究多变量控制系统的解耦设计问题,提出了一种基于信号叠加原理的信号解耦方法,实现了具有自耦合补偿回路和耦合信号对消的信号解耦系统.该系统物理意义明确,结构巧妙,实现容易.     

基于多变量开关型选择性控制系统的设计编程及应用

通过设计开关型选择性控制系统,对限值变量实施三位式控制,克服了传统二位式控制方式在多限值变量控制中,使加热回路频繁通断而且易产生回路硬件故障的问题；以主控变量限值的下限值为参考值设定等偏差值,克服控制中各变量间的相互影响,使控制系统获得良好的稳定性和可靠性.利用FBD语言编程,由DCS系统实现设计的控制策略,成功应用于生产过程控制,解决了该生产过程多变量的复杂控制问题,应用效果良好.     

基于频域稳定性分析的换热网络旁路控制

在换热网络的运行过程中,其操作条件时常变化。针对过程系统安全平稳运行的基本要求,基于频域稳定性分析方法,得出影响过程系统动态性能与稳定性的关键点,提出一种换热网络旁路控制系统的设计方法。从频域的角度分析潜在旁路与被控变量之间的耦合关系,采用频域相对增益阵方法实现换热网络的旁路设计。并在此基础上,对设计的控制系统进行控制器参数设计,使换热网络控制系统满足一定的稳定裕度要求。结果表明,基于频域稳定性分析设计的换热网络旁路控制系统满足稳定裕度要求,其阶跃响应的绝对误差积分值较小,系统的动态性能更好。     

常规控制系统配对设计的动态相对增益阵研究

针对多变量控制系统,提出了一种新的回路配对标准——动态相对增益阵。这种新的配对方案在时域分析内基于系统的开环阶跃响应进行,注重系统的动态特性。通过实例研究和与其他方法的对比表明:这种新的方法更加可靠有效。     

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。     

催化裂化装置反再系统动态模拟精细化与控制系统“工艺优先”配对设计

催化裂化是目前炼油厂中的核心加工工艺,其反应-再生系统是一个多变量紧密耦合的复杂系统,动态模拟和控制系统设计难度较大。目前,催化裂化装置在进行动态建模时设置了大量假设条件,与实际状况存在诸多不符,另外当前的控制回路配对方法未考虑工艺要求,也不适用于催化裂化这样的开环不稳定系统。基于以上原因,以已建立的反应-再生系统数学模型为基础,建立精细化动态模型,对反应器和再生器模型进行真实逼近,不再忽略气相动态变化,将原模型中气相对时间的导数项恢复,通过离散化的分布参数系统模型,对离散化模型中每段提升管和烧焦罐的时变变量加入时滞。仿真结果表明,精细化动态模型更加接近实际化工生产过程。根据上述模型搭建仿真平台,通过对不稳定的反再系统进行工艺优先的控制系统设计,首先根据化工工艺设计控制回路保证系统的稳定性,然后基于相对增益阵方法设计剩余变量配对,在降低了高维系统设计复杂度的同时保证了生产过程安全。设计结果表明,对于催化裂化装置反再系统,基于工艺特性完成控制回路配对后,剩余变量无须再添加多余的控制回路就能保证控制系统的稳定性和适当的控制性能。     

离散线性最优控制器微机辅助设计

工业过程的动态特性一般都可以简化成传递函数为一阶加滞后或二阶加滞后的系统(以下称低阶滞后系统)。探讨低阶滞后系统的最优控制器的设计显然是很有实际意义的,尤其是现在单片机、电脑型的智能控制器正逐步取代常规控制仪表,使得工业过程控制中实现最优控制成为切实可行,因此迫切需要研究提供一套实用的设计方法和程序,使最优控制理论得以走向实际应用。最优控制系统的设计方法较之常规的经典控制系统的设计方法有很大差别,最优控制系统的设计完全脱离了经典控制的试凑,可以方便地籍助计算机辅助设计。本文介绍一种用     

基于小波包趋势提取的化工过程稳态检验

构建了一种基于小波包阈值降噪的化工过程稳态检验方法。方法包括3个步骤：粗差剔除，小波包变换降噪和稳态辨识，具有简单易行且精度良好的特点。在小波包降噪中，通过引入阈值补偿因子，使得降噪过程更加灵活，以便在去除随机噪声和信号真值保留之间取得均衡效果。两个仿真示例展示了本文方法在单变量和多变量系统稳态检验上的有效性。     

永磁同步电机多电机同步控制策略

针对永磁同步电机提出基于单神经元PID的偏差耦合多电机同步控制策略。建立了数学模型,设计了自适应能力强、结构简单的单神经元PID控制器,并采用S函数编写单神经元学习模型。在交叉耦合控制方式的基础上提出了改进的偏差耦合控制,将各个电机转速反馈值经MUX和DEMUX环节进行整合后,通过转速补偿对电机转速进行调节。仿真实验表明有监督Hebb学习算法的单神经元PID运用到偏差耦合多电机同步控制系统中,使系统不仅具有良好的自适应能力,还能够有效地减小超调甚至无超调,提高系统响应能力,增加系统的鲁棒性。