多变量时滞非最小相位非方系统的解耦内模控制器、控制系统和控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及过程工业自动控制领域，具体涉及到一种多变量时滞非最小相位非方 系统的解耦内模控制器、控制系统和控制方法。
【背景技术】
[0002] 在实际化工工业过程中，广泛存在一类复杂的被控对象：多变量、多时滞、非最小 相位，而在实际多变量多时滞被控对象中，又广泛存在非方系统的被控对象。非方系统是输 入数和输出数不等的多变量系统的被控对象，它的动态逆不易获得，因此其解耦控制一直 是多变量系统控制的难题。这类复杂的被控对象的存在使得过程工业变得更加复杂和难以 控制。传统单变量控制方法难以保证多变量系统的耦合控制及其控制精度，因此，业界提出 了多变量内模控制方法。针对被控对象的模型，采用内模控制方法设计内模控制器，将设计 的内模控制器逼近对象模型的逆动态加低通滤波器的形式。与传统控制方法相比，该方法 能够清晰地表明闭环响应特性以及可调节的参数，从而设计控制器时通过调节的参数可兼 顾动态性能与鲁棒性能。
[0003] 然后，针对多变量多时滞非最小相位非方系统行进控制时，传统多变量内模控制 方法往往存在动态解耦求逆不可实现因素，且现有的针对多变量多时滞非最小相位非方系 统的内模控制方法存在不易实现，控制器设计复杂且不易整定等不足，且动态过程控制精 度和鲁棒性差等特点，使得多变量内模控制方法在这种系统中无法实现。
【发明内容】
[0004] 基于以上原因，本发明主要目的是提供一种多变量时滞非最小相位非方系统的解 耦内模控制器、控制系统和控制方法。该方法根据对象模型相关伴随矩阵一体化设计解耦 内模控制器，消除了动态解耦的不可实现因素，简化了现有方法对非方矩阵求逆的计算量， 解决了控制器设计复杂且不易整定，提高了系统的控制精度及鲁棒性。
[0005] 根据本发明一种实施方式，多变量时滞非最小相位非方系统的解耦内模控制器包 括：
[0006] 动态解耦补偿模块，用于基于对象模型相关矩阵的一体化设计来消除多变量非方 系统的耦合，通过添加全通解耦补偿，处理运算过程中产生的不稳定极点;使得多变量时滞 非最小相位的非方系统的被控变量的输出值达到其给定值，实现动态解耦。
[0007] 广义动态逆模块，用于根据多变量时滞非最小相位非方系统的广义被控对象的给 定值计算其输入值，使得多变量时滞非最小相位非方系统的被控变量的输出值达到其给定 值。
[0008] 低通滤波模块，用于把给定值和反馈值之差作为输入值并对所述动态解耦补偿模 块和广义动态逆模块的输出值进行低通滤波，提高系统的抗扰动性能和快速抗扰动响应能 力，增强系统的鲁棒性。
[0009]全通补偿模块，用于消除多变量时滞非最小相位非方系统的广义被控对象中的非 最小相位部分(右半平面(RHP)零点）给控制性能带来的不利影响，通过设计一体化全通补 偿模块，使得所述的广义动态逆模块能够实现。
[0010]本发明又一种实施方式提出了一种多变量时滞非最小相位非方系统的解耦内模 控制系统，其包括多变量多时滞非最小相位非方系统和上述的解耦内模控制器。
[0011] 本发明又一种实施方式提出了一种多变量时滞非最小相位非方系统的解耦内模 控制方法，其包括：
[0012] 动态解耦补偿模块，使得多变量时滞非最小相位的非方系统的被控变量的输出值 达到其给定值，实现动态解親。
[0013] 广义动态逆模块根据多变量时滞非最小相位的非方系统的广义被控对象的给定 值计算多变量时滞非最小相位非方系统的输入值。
[0014] 根据与所述多变量时滞非最小相位非方系统的广义被控对象的非最小相位部分 设计一体化全通补偿模块，对所述的广义动态逆模块进行补偿，使得所述的动态解耦补偿 器丰旲块能够实现。
[0015] 以及低通滤波模块对动态解耦补偿模块和广义动态逆模块的输出值进行低通滤 波，提高系统的抗扰动性能和快速抗扰动响应能力，增强系统的鲁棒性。
[0016] 以上实施方式中，通过动态解耦补偿以及添加全通补偿来消除多变量时滞非最小 相位非方系统的不可实现因素，实现了控制器设计简单且易整定，提高了系统动态解耦精 度。
[0017] 本发明的有益效果是，设计方法简单，不需要对对象模型进行降阶处理，实现容 易，既克服了现有技术中非方被控对象动态解耦方法求逆的局限性，解决了非最小相位被 控对象的控制问题，同时又实现了多变量时滞非方被控对象的动态完全解耦。
【附图说明】
[0018] 图1是根据本发明实施例的多变量非方系统的解耦内模控制器结构图；
[0019]图2是根据本发明实施例的多变量非方系统的解耦内模控制系统；
[0020]图3是图2所示多变量非方系统的解耦内模控制系统的具体结构图；
[0021]图4是本发明实施例的解耦内模控制等效分析图，图中(a)和(b)等效。
[0022] 图5是利用本发明实施例中2输入3输出的多变量非方被控对象，采用本发明方法 得到的标称系统单位阶跃响应。
[0023] 图6是实施例中多变量非方被控对象加入负载扰动的标称系统单位阶跃响应。
[0024] 图7是实施例中多变量非方被控对象存在稳态增益不确定度△ kA( s)为20 %时，控 制系统的单位阶跃响应。
[0025] 图8是实施例中多变量非方被控对象存在惯性时间常数不确定度△ TA(s)为20 % 时，控制系统的单位阶跃响应。
[0026]图9是实施例中多变量非方被控对象存在时间延迟不确定度Δ 0A(S)为20%时，控 制系统的单位阶跃响应。
[0027]图10是实施例中多变量非方被控对象存在稳态增益不确定度△ kA( s)为20 %，惯 性时间常数不确定度Δ TA( s)为20 %，时间延迟不确定度Δ ΘΑ( s)为20 %时，控制系统的单位 阶跃响应。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的说明。
[0029] 目前，基于内模控制方法的多变量控制方法，产生了多种设计方法，而多变量系统 的解耦控制方法分为静态解耦和动态解耦。目前，针对非方被控对象的解耦主要采用静态 解耦方法，在稳态点来设计内模控制器，该方法设计解耦器简单，响应速度快，但没有考虑 到被控对象的动态性能，动态解耦效果受到限制，而且不适用于含有右半平面(RHP)零点的 被控对象。针对含有RHP零点的非方被控对象，K. L. N. SARMA等人在文献"Central ized PI/ PID controllers for nonsquare systems with RHP zeros" 中将静态解親法扩展到含 RHP零点的非方被控对象中，并且比较分析了两种静态解耦方法，但静态解耦的解耦效果受 限。Min Guo等人在文南犬"The Control Method of Multivariable Time-delay Square System Containing Right Half Plane Zeros"中采用静态解親的方法，在控制器的设计 中采用次最优算法对模型进行模型降阶处理以便于对控制器进行设计。相比静态解耦，动 态解耦能够在所有工作频率范围内实现完全解耦，能获得更好的动态解耦效果。Jian-Chang Liu等人在文南犬"Modified Two-Degrees-〇f-Freedom Internal Model Control for Non-Square Systems with Multiple Time Delays" 中提出了一种改进二自由度内模 方法，解耦效果和系统鲁棒性能较好，但设计两个控制器较为复杂且不易整定。
[0030] 数学基础