專利名稱：多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法。
背景技術(shù)：
多變量系統(tǒng)在實(shí)際的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，因此對(duì)多變量系統(tǒng)的控制十分重要。然而，由于多變量系統(tǒng)具有各回路之間耦合較大和多時(shí)滯等特性，采用傳統(tǒng)單變量的控制的方法難于保證控制精度或難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多變量系統(tǒng)的控制。因此，業(yè)界提出了內(nèi)模控制方法。內(nèi)模控制方法中，將對(duì)象模型與實(shí)際被控對(duì)象相并聯(lián)，并設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器逼近對(duì)象模型的動(dòng)態(tài)逆。與傳統(tǒng)的反饋控制相比，內(nèi)模控制方法能夠清楚地表明調(diào)節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應(yīng)及魯棒性的關(guān)系，從而兼顧性能和魯棒性。然后，在對(duì)多變量系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，傳統(tǒng)的內(nèi)模控制方法往往存在不可實(shí)現(xiàn)因素， 使得內(nèi)模控制方法在某些多變量系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種多變量?jī)?nèi)模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法，可以消除不可實(shí)現(xiàn)因素。根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式，多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器包括動(dòng)態(tài)逆模塊，用于根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值，以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值；濾波器，用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊計(jì)算的輸入值進(jìn)行過(guò)濾；補(bǔ)償模塊，其根據(jù)對(duì)變量系統(tǒng)的模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)，用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊進(jìn)行補(bǔ)償，以使得所述動(dòng)態(tài)逆模塊能夠?qū)崿F(xiàn)。本發(fā)明又一種實(shí)施方式提出了一種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制系統(tǒng)，其包括多變量系統(tǒng)和上述的內(nèi)模控制器。本發(fā)明又一種實(shí)施方式提出了種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制方法，其包括動(dòng)態(tài)逆模塊根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值；根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)補(bǔ)償模塊，對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊進(jìn)行補(bǔ)償，以使得所述動(dòng)態(tài)逆模塊能夠?qū)崿F(xiàn)；以及濾波器對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊計(jì)算的輸入值進(jìn)行過(guò)濾以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值。以上實(shí)施方式中，通過(guò)添加補(bǔ)償項(xiàng)來(lái)消除多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器的不可實(shí)現(xiàn)因素，從而避免了時(shí)滯近似所帶來(lái)的誤差。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器結(jié)構(gòu)圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)模控制系統(tǒng)；圖3是圖2所示內(nèi)模控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)；圖4是利用本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)模控制器的方形系統(tǒng)的給定值響應(yīng)；圖5和圖6是利用本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)模控制器的方形系統(tǒng)的干擾響應(yīng)；圖7、圖8、圖9是模型攝動(dòng)時(shí)方形系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)；圖10是非方系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)；圖11和圖12是非方系統(tǒng)的在干擾情況下的系統(tǒng)響應(yīng)；圖13、圖14、圖15是模型攝動(dòng)時(shí)非方系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。目前，基于內(nèi)模控制方法，產(chǎn)生了多種設(shè)計(jì)方法。例如，內(nèi)模控制與最優(yōu)控制結(jié)合， 是以某種最優(yōu)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的目標(biāo)；內(nèi)模控制與能改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能和抵制有規(guī)律的外界干擾的學(xué)習(xí)控制相結(jié)合，內(nèi)模控制與H00控制相結(jié)合，其控制結(jié)構(gòu)由內(nèi)模控制的內(nèi)環(huán)和H00控制器的外環(huán)組成，能夠兼顧性能和魯棒性；內(nèi)模控制與自適應(yīng)控制的結(jié)合，其基本思想是使內(nèi)部模型的參數(shù)逐步逼近被控對(duì)象的參數(shù)直至相等。為了更好地對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明，以下先對(duì)本發(fā)明應(yīng)用的基本矩陣?yán)碚撨M(jìn)行介紹。首先，廣義逆廣義逆可以定義如下設(shè)A是mXn矩陣，若nXm的矩陣G滿足如下的4個(gè)Penrose 方程AGA = A ；GAG = G ； (AG)H = AG ； (GA)H = GA ；則稱 G 是 A 的一個(gè) Moore-Penrose 廣義逆，其中Xh代表X矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，同時(shí)滿足上述四個(gè)式子的G具有與方陣逆相似的性質(zhì)。根據(jù)矩陣?yán)碚摰亩ɡ恚O(shè)A是mXn矩陣，A有右逆A*的充要條件是rank(A) =m； 若A有右逆，則其中一個(gè)右逆是= Ah(AAh)A其次，關(guān)于矩陣分解矩陣分解在矩陣論中有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)矩陣分解，可以獲得矩陣的很多性質(zhì)， 有幾種比較常見(jiàn)的矩陣分解方法，如LU分解、QR分解及奇異值分解等。其中，奇異值分解相關(guān)理論如下定理設(shè)A是mX η矩陣，rank (A) = r,貝丨J
Σ 01)存在酉矩陣 U e Cmxn，V e Cnxn 使得 J = U( q q)Vh ,其中 Σ r = diag(o ” A, or), O1, Λ, %是A的全部非零奇異值；2)Α = σ ^ν^+Λ + σ rurvrH 其中 U = (u1; Λ，ur)，V = (ν,, Λ，vr)。以下將以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明實(shí)施例中，在內(nèi)模控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)在內(nèi)模控制器的傳遞函數(shù)中添加補(bǔ)償項(xiàng)來(lái)消除針對(duì)多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)模控制器的不可實(shí)現(xiàn)因素，從而提高內(nèi)模控制器的可實(shí)現(xiàn)性。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)模控制器100包括
動(dòng)態(tài)逆模塊101，用于根據(jù)待控制的多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值，以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值；波濾器102，用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊101計(jì)算出的輸入值進(jìn)行過(guò)濾；補(bǔ)償模塊103，其根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)， 用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊101進(jìn)行補(bǔ)償，以使得所述動(dòng)態(tài)逆模塊101能夠?qū)崿F(xiàn)。在本發(fā)明一種實(shí)施方式中，待控制的多變量系統(tǒng)的模型為η個(gè)輸入m個(gè)輸出的被控對(duì)象，其模型為
權(quán)利要求
1.一種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器，其特征在于，包括動(dòng)態(tài)逆模塊，用于根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值，以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值；濾波器，用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊計(jì)算的輸入值進(jìn)行過(guò)濾；補(bǔ)償模塊，其根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)，用于對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊進(jìn)行補(bǔ)償，以使得所述動(dòng)態(tài)逆模塊能夠?qū)崿F(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)模控制器，其特征在于，所述多變量系統(tǒng)的模型為η個(gè)輸入m 個(gè)輸出的被控對(duì)象，其模型為 其中，g,⑷=g明(Φ、'為& (s)的第j個(gè)輸入與第i個(gè)輸出之間的傳遞函數(shù)， ；^和^jci(S)是嚴(yán)真且穩(wěn)定的矩陣；θ iJ0彡O為該通道的傳輸時(shí)滯；其中，與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型為Gm(S)，則所述動(dòng)態(tài)逆模塊根據(jù)Gm(S)的動(dòng)態(tài)逆設(shè)計(jì)，所述補(bǔ)償模塊根據(jù)所述對(duì)象模SGm(s)的非最小相位部分Gm+(s)來(lái)設(shè)計(jì)。
3.如權(quán)利要求2述的內(nèi)模控制器，其特征在于，當(dāng)m= n時(shí)，所述內(nèi)模控制器為=Cnc(S) =F(s)GnT1(S)Gm+(s)，其中，F(xiàn)(s)為所述濾波器模塊，G1;1 (s)為所述對(duì)象模SGm(S)的逆。
4.如權(quán)利要求2述的內(nèi)模控制器，其特征在于，當(dāng)m不等于η時(shí)，所述內(nèi)模控制器為 Cjmc(S) = G(S)Gm+ (S) F (S) ^φ, F(s)為所述濾波器模塊，《⑷為所述對(duì)象模型Gm (s)的廣義逆。
5.如權(quán)利要求3或4所述的內(nèi)模控制器，其特征在于，所述Gm+(s)包含了Gm(S)的時(shí)滯部分和 RHP 零點(diǎn)，且= diagl \i = 1,2,…,m. 其中，0 Ki為《⑷中第i列元素含有的最大時(shí)滯，Zp為矩陣《⑷第i列元素中存在的 RHP極點(diǎn)，<為、的共軛,Wi表示同一 RHP極點(diǎn)％的最大個(gè)數(shù)，Di表示G:第i列元素存在Di 個(gè)不同的RHP極點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的內(nèi)模控制器，其特征在于，所述濾波器模塊根據(jù)對(duì)所述對(duì)象模型的模型終值進(jìn)行矩陣分解后所得到的分量進(jìn)行設(shè)計(jì)。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)模控制器，其特征在于，對(duì)所述控制器進(jìn)行降階處理。
8.一種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制系統(tǒng)，其特征在于，包括多變量系統(tǒng)和權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的內(nèi)模控制器。
9.一種多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制方法，其特征在于，包括動(dòng)態(tài)逆模塊根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值；根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)補(bǔ)償模塊，對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊進(jìn)行補(bǔ)償，以使得所述動(dòng)態(tài)逆模塊能夠?qū)崿F(xiàn)；以及濾波器對(duì)所述動(dòng)態(tài)逆模塊計(jì)算的輸入值進(jìn)行過(guò)濾以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法。該多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器包括動(dòng)態(tài)逆模塊，用于根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計(jì)算多變量系統(tǒng)的輸入值，以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達(dá)到其給定值；濾波器，用于對(duì)動(dòng)態(tài)逆模塊計(jì)算的輸入值進(jìn)行過(guò)濾；和補(bǔ)償模塊，其根據(jù)與多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對(duì)象模型的非最小相位部分設(shè)計(jì)，用于對(duì)動(dòng)態(tài)逆模塊進(jìn)行補(bǔ)償，以使得動(dòng)態(tài)逆模塊能夠?qū)崿F(xiàn)。通過(guò)添加補(bǔ)償項(xiàng)來(lái)消除多變量系統(tǒng)的內(nèi)模控制器的不可實(shí)現(xiàn)因素，從而避免了時(shí)滯近似所帶來(lái)的誤差。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102419550SQ201110362909
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉斯文, 曹麗婷, 汪克文, 趙亮, 靳其兵 申請(qǐng)人:靳其兵