專利名稱：：化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)，是一種針對化工生產(chǎn)中的不穩(wěn)定過程，以最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論為基礎，提出的一種新穎的兩自由度控制結(jié)構(gòu)，可以定量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的性能指標，屬于工業(yè)過程控制
背景技術：
：化工過程中的不穩(wěn)定對象很難控制，尤其是對于具有明顯時滯的不穩(wěn)定過程，屬于工業(yè)過程控制領域中比較棘手的難題。突出問題是不穩(wěn)定過程對負載干擾比較敏感，容易引起過程輸出的較大波動，如化學連續(xù)攪拌反應釜(CSTR)和能源工業(yè)中的熱反應堆等，這種情況通常對實際生產(chǎn)是非常不利和有害的，因此對生產(chǎn)過程的抗負載干擾要求非常高。然而采用常規(guī)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化調(diào)節(jié)給定值響應和負載干擾響應時會出現(xiàn)非常明顯的水床效應(KeminZhou，Doyle，J.C.andGlover，K.EssentialsofRobustControl.Prenticehall，UpperSaddleRiver，1998。)，此消彼長的矛盾比開環(huán)穩(wěn)定過程的控制系統(tǒng)的要尖銳得多。因此控制不穩(wěn)定過程是化工實踐中很困難和復雜的問題，必須采用高級過程控制技術來解決。近幾年在控制領域的國際國內(nèi)的重要刊物上刊登了一些知名學者和工程專家提出的應用常規(guī)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)控制不穩(wěn)定過程的最優(yōu)化設計方法以及兩自由度控制的方案。突出有代表性的有Yang，X.P.和Wang，Q-G在文獻IMC-Basedcontrolsystemdesignforunstableprocesses.(Ind.Eng.Chem.Res，2002，41(17)，4288-4294.)中提出一種基于最小二乘法最優(yōu)化常規(guī)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)中的PID控制器的方法；Lee，Y.H.和Lee，Jeongseok.在文獻PIDcontrollerstuningforintegratingandunstableprocesseswithtimedelay.(ChemicalEngineeringScience，2000，55，3481-3493.)中提出基于內(nèi)?？刂评碚摵虷2最優(yōu)指標設計常規(guī)的PID控制器來控制開環(huán)不穩(wěn)定過程的方法。Park，J.H.和Sung，S.W.在文獻AnenhancedPIDcontrolstrategyforunstableprocesses.(Automatica，1998，35，2596-2610.)中提出先采用一個比例反饋控制閉環(huán)鎮(zhèn)定開環(huán)不穩(wěn)定過程，然后再采用常規(guī)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)實施控制的方法。值得指出的是，上述基于常規(guī)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)的方法都不能根本解決同時優(yōu)化調(diào)節(jié)給定值響應和負載干擾響應時出現(xiàn)的劇烈水床效應。為了解決這個嚴重矛盾，Tan，Wen，Marquez，H.J.和ChenT.W.在文獻IMCdesignforunstableprocesseswithtimedelays.(JournalofProcessControl，2003，13，203-213.)中提出一種兩自由度控制結(jié)構(gòu)，Majhi，S.和Atherton，D.P.在文獻ObtainingcontrollerparametersforanewSmithpredictorusingautotuning.(Automatica，2000，36，1651-1658.)中提出另一種兩自由度控制結(jié)構(gòu)。雖然這兩種兩自由度控制結(jié)構(gòu)大大緩解了調(diào)節(jié)給定值響應和負載干擾響應之間的嚴重水床效應，但沒有從根本上解決系統(tǒng)給定值響應和負載干擾響應之間的耦合問題，而且沒有說明如何定量整定控制器參數(shù)來達到系統(tǒng)要求的工作性能指標，以及在過程辨識模型有誤差或過程參數(shù)發(fā)生攝動的情況下如何整定控制器的參數(shù)。總的說來，實際中對于不穩(wěn)定過程，如何使系統(tǒng)給定值響應和負載干擾響應完全解耦以及如何定量整定控制系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應一直都沒有得到徹底的解決，如何調(diào)節(jié)和提高不穩(wěn)定過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性也是當前的控制難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種新型的化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)，從根本上解決常規(guī)單位反饋控制系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應之間的耦合問題，實現(xiàn)定量整定控制系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應，并且能夠分別優(yōu)化它們，實現(xiàn)化工生產(chǎn)中不穩(wěn)定過程的有效控制。為此，本發(fā)明對于化工不穩(wěn)定過程提出一種新穎的兩自由度控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)給定值響應采用開環(huán)控制方式，用于抑制負載擾動信號的控制閉環(huán)設置在過程的輸入端與輸出端之間，所以這個兩自由度控制結(jié)構(gòu)的給定值響應和負載擾動響應是完全解耦的，可以分別通過調(diào)節(jié)給定值響應控制器和用于抑制負載擾動信號的控制閉環(huán)中的擾動觀測器來達到各自期望的控制效果?？紤]到開環(huán)控制方式只適用于穩(wěn)定自衡過程，本發(fā)明首先在前向輸入通道上采用一個比例(P)控制器或比例微分(PD)控制器鎮(zhèn)定不穩(wěn)定過程，然后針對經(jīng)鎮(zhèn)定后得到的穩(wěn)定過程應用H2最優(yōu)性能指標設計給定值響應控制器，從而達到最優(yōu)控制的目的。用于抑制過程負載擾動信號的控制閉環(huán)，利用過程辨識模型的輸出與實際過程的輸出之間的偏差量作為抑制負載擾動信號的反饋調(diào)節(jié)信息量，將其傳送給設置在控制閉環(huán)反饋通道上的擾動觀測器，經(jīng)過擾動觀測器判斷和處理后輸出給實際過程的輸入端，從而調(diào)節(jié)其輸入量的大小以達到消除負載干擾信號影響被控過程輸出的目的。本發(fā)明的兩自由度控制結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成給定值響應控制器、鎮(zhèn)定給定值響應的控制器、擾動觀測器、被控過程辨識模型和三個信號混合器。其中第一個信號混合器設置在實際被控過程的輸入端處，它有一路正極性輸入端和兩路負極性輸入端，其輸出端連接實際被控過程的輸入端；第二個信號混合器設置在被控過程辨識模型的輸入端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接被控過程辨識模型的輸入端；第三個信號混合器設置在實際被控過程的輸出端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接擾動觀測器的輸入端；外部給定值輸入信號連接給定值響應控制器的輸入端，給定值響應控制器的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路正極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路正極性輸入端；鎮(zhèn)定給定值響應的控制器的輸入端連接被控過程辨識模型的無時滯部分即有理部分的輸出端，鎮(zhèn)定給定值響應的控制器的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路負極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路負極性輸入端；擾動觀測器的輸入端連接設置第三個信號混合器的輸出端，擾動觀測器的輸出端連接第一個信號混合器的另一路負極性輸入端。給定值響應控制器跟蹤和放大給定值輸入信號，提供給被控過程工作所需要的輸入能量，從而使被控過程的輸出達到給定值的要求。鎮(zhèn)定給定值響應的控制器保證被控不穩(wěn)定過程的給定值響應的平穩(wěn)性以及被控不穩(wěn)定過程辨識模型的給定值響應的平穩(wěn)性。擾動觀測器將檢測到的因負載干擾信號混入被控過程而導致其輸出發(fā)生偏差的信號進行處理放大，然后以負反饋的形式送入被控過程的輸入端，從而調(diào)節(jié)被控過程的輸入量大小，達到消除負載干擾信號影響被控過程輸出的目的。被控過程辨識模型模擬被控過程輸出，提供參考過程輸出信號，而且是設計上述控制器的依據(jù)。信號混合器將多路輸入信號混合為一路輸出信號。實際運行本發(fā)明的兩自由度控制系統(tǒng)時，首先將控制系統(tǒng)給定值輸入信號送入給定值響應控制器，給定值響應控制器放大和平滑給定值輸入信號，提供被控過程工作所需要的輸入能量，從而使被控過程的輸出達到給定值的要求。給定值響應控制器的輸出信號分成兩路，一路送入被控過程的輸入端，另一路送入被控過程辨識模型的輸入端。其次，鎮(zhèn)定給定值響應的控制器將由過程辨識模型有理部分的輸出送來的信號進行放大，以負反饋的形式分別送入實際被控不穩(wěn)定過程的輸入端和被控過程辨識模型的輸入端，從而起到鎮(zhèn)定被控過程的給定值響應的作用，同時也鎮(zhèn)定了被控過程辨識模型的給定值響應；最后，將實際不穩(wěn)定過程的輸出檢測信號與過程辨識模型的輸出信號送入信號混合器進行求差運算，所得結(jié)果作為偏差量信號送入擾動觀測器，經(jīng)擾動觀測器處理放大后以負反饋的形式送入被控不穩(wěn)定過程的輸入端，從而調(diào)節(jié)被控過程的輸入量大小，達到消除負載干擾信號影響被控過程輸出的目的。對于一階不穩(wěn)定過程辨識模型，系統(tǒng)給定值響應上升時間tr與給定值響應控制器的控制參數(shù)λc之間的整定公式為tr＝2.3026λc+θ；對于二階不穩(wěn)定過程辨識模型，其為tr＝3.8897λc+θ，其中θ為被控過程辨識模型的純滯后時間。利用上述整定公式，可以定量地調(diào)節(jié)和整定控制系統(tǒng)的給定值響應的時域指標。本發(fā)明給出的控制結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點是1.控制系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應是完全解耦的，能夠分別獨立地調(diào)節(jié)，從而克服了常規(guī)的單位反饋控制系統(tǒng)的給定值響應和負載干擾響應之間調(diào)節(jié)的水床效應；2.系統(tǒng)給定值響應控制器和用于抑制負載干擾信號的擾動觀測器均是基于H2最優(yōu)性能指標(ISE)設計的，所以本發(fā)明給出的兩自由度控制結(jié)構(gòu)能夠使控制系統(tǒng)性能指標達到最優(yōu)極限；3.在標稱情況下，即過程辨識模型與實際過程完全匹配的情況下，系統(tǒng)給定值響應沒有超調(diào)量，可以達到任意最優(yōu)；4.系統(tǒng)給定值響應控制器和用于抑制負載干擾信號的擾動觀測器均為單參數(shù)整定，可以單調(diào)地定量調(diào)節(jié)，從而使控制系統(tǒng)的時域響應指標可以定量估計和整定。本發(fā)明給出了給定值響應控制器的控制器參數(shù)與系統(tǒng)給定值響應的上升時間之間的數(shù)值整定公式，從而極大地方便了實際操作和在線調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；5.本發(fā)明給出的兩自由度控制結(jié)構(gòu)基于魯棒內(nèi)?？刂圃?，能夠保證良好的魯棒穩(wěn)定性，對于過程參數(shù)發(fā)生變化不敏感，可以在較大范圍內(nèi)適應不穩(wěn)定過程建模誤差以及過程參數(shù)攝動。圖1為本發(fā)明的兩自由度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Gmo是不穩(wěn)定過程Gp的辨識模型Gm中的有理部分，即Gm=Gmoe-θms.]]>C是給定值響應控制器，F(xiàn)是控制閉環(huán)中的擾動觀測器，Gc是用于鎮(zhèn)定給定值響應的控制器。r是系統(tǒng)給定值輸入，y是過程輸出，u是控制器C的輸出，f是擾動觀測器F的輸出，e是實際過程的輸出與過程辨識模型的輸出之間的偏差量。di和do是混入被控過程的負載干擾信號。圖2示出了本發(fā)明實施例中的過程輸出響應曲線。具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明給出的技術方案作進一步說明。本發(fā)明如圖1所示的新型兩自由度控制結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成給定值響應控制器C、鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc、擾動觀測器F、被控過程辨識模型Gm=Gmoe-θms.]]>和三個信號混合器(圓圈節(jié)點)。其中第一個信號混合器設置在實際被控過程Gp的輸入端處，它有一路正極性輸入端和兩路負極性輸入端，其輸出端連接實際被控過程Gp的輸入端；第二個信號混合器設置在被控過程辨識模型Gm的輸入端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接被控過程辨識模型Gm的輸入端；第三個信號混合器設置在實際被控過程Gp的輸出端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接擾動觀測器F的輸入端；外部給定值輸入信號r連接給定值響應控制器C的輸入端，給定值響應控制器C的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路正極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路正極性輸入端；鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc的輸入端連接被控過程辨識模型Gm的無時滯部分即有理部分Gmo的輸出端，鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路負極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路負極性輸入端；擾動觀測器F的輸入端連接第三個信號混合器的輸出端，擾動觀測器F的輸出端連接第一個信號混合器的另一路負極性輸入端。實際運行該兩自由度控制系統(tǒng)時，首先把控制系統(tǒng)的外部給定值輸入信號r送入給定值響應控制器C，給定值響應控制器C放大和平滑給定值輸入信號r，提供被控過程Gp工作所需要的輸入能量u，從而使被控過程Gp的輸出y達到外部給定值信號r的要求。給定值響應控制器C的輸出信號u分成兩路，一路送入被控過程Gp的輸入端，另一路送入被控過程辨識模型Gm的輸入端。其次，鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc將由過程辨識模型的有理部分Gmo的輸出送來的信號進行放大，以負反饋的形式分別送入實際被控不穩(wěn)定過程Gp的輸入端和被控過程辨識模型Gm的輸入端，從而起到鎮(zhèn)定被控不穩(wěn)定過程Gp的給定值響應的作用，同時也鎮(zhèn)定了被控不穩(wěn)定過程辨識模型的給定值響應；最后，將實際不穩(wěn)定過程Gp的輸出檢測信號與過程辨識模型Gm的輸出信號送入信號混合器進行求差運算，所得結(jié)果作為偏差量信號送入擾動觀測器F，經(jīng)擾動觀測器F處理放大后以負反饋的形式送入被控不穩(wěn)定過程Gp的輸入端，從而調(diào)節(jié)被控過程Gp的輸入量u的大小，達到消除負載干擾信號di和do影響被控過程Gp輸出的目的。以下針對典型的三種不穩(wěn)定過程辨識模型給出鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc和給定值響應控制器C以及擾動觀測器F的設計公式。第一種不穩(wěn)定過程辨識模型Gm(s)=ke-θsτs-1]]>第二種不穩(wěn)定過程辨識模型Gm(s)=ke-θs(τ1s-1)(τ2s+1)]]>第三種不穩(wěn)定過程辨識模型Gm(s)=ke-θs(τ1s-1)(τ2s-1)]]>其中k為被控過程辨識模型的穩(wěn)態(tài)增益，τ，τ1和τ2分別為被控過程辨識模型的時間常數(shù)，θ為被控過程辨識模型的純滯后時間。需要說明，第一種不穩(wěn)定過程辨識模型通常稱為一階不穩(wěn)定過程辨識模型，第二種和第三種不穩(wěn)定過程辨識模型通常統(tǒng)稱為二階不穩(wěn)定過程辨識模型。(1)鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc的設計公式。對于第一種不穩(wěn)定過程辨識模型，設計Gc＝kc，它是一個比例控制器(P)，要求設定參數(shù)值時滿足約束條件kc＞1/k來保證系統(tǒng)給定值響應的穩(wěn)定性；對于第二種不穩(wěn)定過程辨識模型，分兩種情況1)當τ1≥τ2時，設計Gc＝kc，約束條件kc＞1/k；2)當τ2＞τ1時，設計Gc＝kc+kds/(0.1s+1)，它是一個比例微分控制器(PD)，要求設定參數(shù)值時滿足條件kc＞1/k1k2和kd＞(τ1-τ2)/k1k2；對于第三種不穩(wěn)定過程辨識模型，設計Gc＝kds/(0.1s+1)，它是一個微分控制器(D)，要求設定參數(shù)值時滿足約束條件kd＞(τ1+τ2)/k；需要說明，在滿足約束條件的情況下，控制器Gc的參數(shù)值可以任意設定，它們不影響系統(tǒng)給定值響應和負載擾動響應的性能指標。(2)給定值響應控制器C的設計公式。對于第一種不穩(wěn)定過程辨識模型，設計C(s)=τs+kck-1k(λcs+1);]]>對于第二種不穩(wěn)定過程辨識模型，分兩種情況1)當τ1≥τ2時，設計C(s)=τ1τ2s2+(τ1-τ2)s+kck-1k(λcs+1)2;]]>2)當τ2＞τ1時，設計C(s)=τ1τ2s2+(kdk+τ1-τ2)s+kck-1k(λcs+1)2;]]>對于第三種不穩(wěn)定過程辨識模型，設計C(s)=τ1τ2s2+(kdk-τ1-τ2)s+1k(λcs+1)2.]]>需要說明，上述設計公式中，λc為控制器整定參數(shù)，其整定規(guī)則是整定較小的λc值可以得到較快的給定值響應但要求較大的控制器輸出能量，而且給定值響應的魯棒穩(wěn)定性變差；整定較大的λc值可以使控制器輸出能量較小但給定值響應相應地變慢，同時給定值響應的魯棒穩(wěn)定性增強。通常情況下可以整定控制參數(shù)λc在被控過程純時滯θ值附近來實現(xiàn)上述要求之間的最佳折衷。根據(jù)通常定義的系統(tǒng)給定值響應上升時間tr為被控過程輸出達到90％終值所需的時間，對于第一種不穩(wěn)定過程辨識模型(即一階不穩(wěn)定過程辨識模型)，上升時間tr與控制參數(shù)λc之間的整定關系為tr＝2.3026λc+θ。對于第二種和第三種不穩(wěn)定過程辨識模型(即二階不穩(wěn)定過程辨識模型)，上升時間tr與控制參數(shù)λc之間的整定關系為tr＝3.8897λc+θ。所以利用控制參數(shù)λc整定系統(tǒng)的給定值響應指標是非常方便的。(3)擾動觀測器F的設計公式。對于第一種不穩(wěn)定過程辨識模型，基于H2最優(yōu)性能指標(ISE)設計得到的理想擾動觀測器F的形式為Fideal(s)=(τs-1)(a1s+1)k[(λfs+1)2-(a1s+1)e-θs]]]>其中a1=τ[(λfτ+1)2eθτ-1],]]>控制整定參數(shù)為λf。不難看出它在s右半平面的s＝1/τ處存在零極點對消，不能穩(wěn)定工作。所以這里采用近似公式實現(xiàn)泰勒公式近似的PID形式F(s)=kf+1T1s+TDs0.1s+1----(F1)]]>其中Kf=lims→0d[sFideal(s)]ds,]]>Ti=lims→01sFideal(s),]]>Td=12lims→0d2[sFideal(s)]ds2]]>三階Pade近似公式F1(s)=d3s3+d2s2+d1s+d0s(c2s2+c1s+1)----(F2)]]>其中c1=b2b5-b3b4b32-b2b4,]]>c2=b42-b3b5b32-b2b4,]]>d0＝b0，d1＝b1+b0c1，d2＝b2+b1c1+b0c2，d3＝b3+b2c1+b1c2，bi=1i!lims→0didsi[sFideal(s)],]]>i＝0，1，…，5。需要說明，使用擾動觀測器F的三階Pade近似公式的約束條件是c1＞0和c2＞0，這樣才能保證其工作穩(wěn)定性。因此，對于同一控制參數(shù)λf值，如果采用三階Pade近似公式得到的擾動觀測器能保證穩(wěn)定工作，則應優(yōu)先采用從而達到更好的控制性能。否則只能采用PID形式的擾動觀測器。對于第二種不穩(wěn)定過程辨識模型，基于H2最優(yōu)性能指標(ISE)設計得到的理想擾動觀測器F的形式為Fideal(s)=(τ1s-1)(τ2s+1)(a1s+1)k[(λfs+1)3-(a1s+1)e-θs]]]>其中a1=τ1[(λfτ1+1)3eθτ1-1],]]>控制整定參數(shù)為λf。不難看出它也不能穩(wěn)定工作，同樣需要采用上述近似公式(F1)和(F2)實現(xiàn)；對于第三種不穩(wěn)定過程辨識模型，基于H2最優(yōu)性能指標(ISE)設計得到的理想擾動觀測器F的形式為Fideal(s)=(τ1s-1)(τ2s-1)(a2s2a1s+1)k[(λfs+1)4-(a2s2a1s+1)e-θs]]]>其中a1=1τ2-τ1{τ22[(λfτ2+1)4eθτ2-1]-τ12[(λfτ1+1)4eθτ1-1]},]]>a2=τ12τ2τ2-τ1[(λfτ1+1)4eθτ1-1]-τ1τ22τ2-τ1[(λfτ2+1)4eθτ2-1].]]>控制整定參數(shù)為λf。不難看出它也不能穩(wěn)定工作，同樣需要采用上述近似公式(F1)和(F2)實現(xiàn)?？刂茀?shù)λf的整定規(guī)則是增大λf使得用于抑制負載干擾信號的控制閉環(huán)的魯棒穩(wěn)定性增強但同時削弱了負載擾動抑制能力；相反減小λf使其負載擾動抑制能力增強但同時降低了閉環(huán)魯棒穩(wěn)定性。仿真研究表明，控制參數(shù)λf宜整定在被控過程的純時滯θ值左右來最佳折衷控制閉環(huán)的魯棒穩(wěn)定性和標稱性能?？疾靁ang，X.P.和Wang，Q-G在文獻IMC-Basedcontrolsystemdesignforunstableprocesses.(Ind.Eng.Chem.Res，2002，41(17)，4288-4294.)中研究的不穩(wěn)定過程Gp(s)=e-0.939s(5s-1)(2.07s+1)]]>在Yang，X.P.和Wang，Q-G的方法中，采用常規(guī)單位反饋控制結(jié)構(gòu)，基于最小二乘法得到的最優(yōu)控制器為K(s)=29.8188s3+75.8869s2+39.4556s+4.3412s(s2+3.2042s+8.5984).]]>應用本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)，首先按照附圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)造控制系統(tǒng)；然后進行控制器的設計和整定第一步，根據(jù)前述的用于鎮(zhèn)定系統(tǒng)給定值響應的控制器Gc的設計公式，取Gc＝2，即kc＝2，滿足穩(wěn)定性約束條件kc＞1/k；第二步，套用第二種不穩(wěn)定過程辨識模型的給定值響應控制器C的設計公式，得到C(s)=10.35s2+2.93s+1(λcs+1)2]]>初始設置λc＝θ＝0.939。第三步，套用第二種不穩(wěn)定過程辨識模型的擾動觀測器F的設計公式，得到PID形式F(s)=6.5647+10.9885s+10.2129s0.1s+1]]>三階Pade近似公式F(s)=21.16s3+99.939s2+62.611s+9.308s(0.478s2+0.28s+10)]]>這里采用Yang，X.P.和Wang，Q-G的方法中使用的仿真試驗條件，即分別在t＝0秒時刻加入給定點單位階躍輸入信號，在t＝25秒時刻加反向單位階躍負載干擾信號于不穩(wěn)定過程Gp的輸入端。實際過程輸出仿真結(jié)果如附圖2所示。由圖2可以看出，本發(fā)明給出的控制結(jié)構(gòu)(粗、細實線)無論是在給定值響應上還是在抑制負載干擾信號響應上均顯著優(yōu)于Yang，X.P.和Wang，Q-G的方法(虛線)，而且給定值響應沒有超調(diào)量，快速平穩(wěn)。同時可看到，本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)中擾動觀測器F取PID形式(細實線)比取三階Pade形式(粗實線)所得到的負載干擾抑制效果要稍差一些，這是由于對基于H2最優(yōu)性能指標(ISE)推導設計的理想擾動觀測器公式的近似精度較低造成的。以上闡述的是本發(fā)明優(yōu)選實施例所表現(xiàn)出的優(yōu)良控制效果。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實施例，由于本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)是針對化工過程中的典型的開環(huán)不穩(wěn)定過程辨識模型，所以得出的控制器解析設計公式可以適用于不同的開環(huán)不穩(wěn)定過程。采取本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)可廣泛應用于石化、冶金、醫(yī)藥、建材和紡織等行業(yè)的開環(huán)不穩(wěn)定生產(chǎn)過程。權(quán)利要求1.一種化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)，其特征在于由給定值響應控制器C、鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc、擾動觀測器F、被控過程辨識模型Gm=Gmoe-θms]]>和三個信號混合器組成，其中第一個信號混合器設置在實際被控過程Gp的輸入端處，它有一路正極性輸入端和兩路負極性輸入端，其輸出端連接實際被控過程Gp的輸入端；第二個信號混合器設置在被控過程辨識模型Gm的輸入端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接被控過程辨識模型Gm的輸入端；第三個信號混合器設置在實際被控過程Gp的輸出端處，它有一路正極性輸入端和一路負極性輸入端，其輸出端連接擾動觀測器F的輸入端；外部給定值輸入信號r連接給定值響應控制器C的輸入端，給定值響應控制器C的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路正極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路正極性輸入端；鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc的輸入端連接被控過程辨識模型Gm的無時滯部分即有理部分Gmo的輸出端，鎮(zhèn)定給定值響應的控制器Gc的輸出分兩路，一路連接第一個信號混合器的一路負極性輸入端，另一路連接第二個信號混合器的一路負極性輸入端；擾動觀測器F的輸入端連接第三個信號混合器的輸出端，擾動觀測器F的輸出端連接第一個信號混合器的另一路負極性輸入端。2.如權(quán)利要求1的化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的被控過程辨識模型Gm為一階不穩(wěn)定過程辨識模型時，系統(tǒng)給定值響應上升時間tr與給定值響應控制器的控制參數(shù)λc之間的整定公式為tr＝2.3026λc+θ，對于二階不穩(wěn)定過程辨識模型，tr＝3.8897λc+θ，其中θ為被控過程辨識模型的純滯后時間。全文摘要一種化工不穩(wěn)定過程的兩自由度控制系統(tǒng)，由給定值響應控制器、鎮(zhèn)定給定值響應的控制器、擾動觀測器、被控過程辨識模型和信號混合器組成，給定值響應采用開環(huán)控制并和負載干擾響應完全解耦，分別通過調(diào)節(jié)給定值響應控制器和用于抑制負載干擾信號的控制閉環(huán)中的擾動觀測器來達到各自期望的控制效果，該控制閉環(huán)利用被控過程辨識模型的輸出與實際過程的輸出之間的偏差量作為抑制負載干擾信號的反饋調(diào)節(jié)信息量，由控制閉環(huán)反饋通道上的擾動觀測器判斷和處理后輸出給實際過程的輸入端，從而調(diào)節(jié)其輸入量的大小以消除負載干擾信號的影響。本發(fā)明的控制系統(tǒng)能夠保持良好的魯棒穩(wěn)定性，可在較大范圍內(nèi)適應不穩(wěn)定過程建模誤差以及過程參數(shù)攝動。文檔編號G05B13/04GK1527166SQ03151200公開日2004年9月8日申請日期2003年9月25日優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日發(fā)明者劉濤,顧誕英,張衛(wèi)東,蔡云澤,何星,劉濤申請人:上海交通大學