專利名稱：多變量系統(tǒng)的內?？刂破鳌⒖刂葡到y(tǒng)和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動控制領域，具體涉及一種多變量系統(tǒng)的內模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法。
背景技術：
多變量系統(tǒng)在實際的化學工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，因此對多變量系統(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現(xiàn)對多變量系統(tǒng)的控制。因此，業(yè)界提出了內模控制方法。內?？刂品椒ㄖ校瑢ο竽Ｐ团c實際被控對象相并聯(lián)，并設計內模控制器逼近對象模型的動態(tài)逆。與傳統(tǒng)的反饋控制相比，內模控制方法能夠清楚地表明調節(jié)參數(shù)和閉環(huán)響應及魯棒性的關系，從而兼顧性能和魯棒性。然后，在對多變量系統(tǒng)進行控制時，傳統(tǒng)的內?？刂品椒ㄍ嬖诓豢蓪崿F(xiàn)因素， 使得內模控制方法在某些多變量系統(tǒng)中無法實現(xiàn)。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種多變量內?？刂破鳌⒖刂葡到y(tǒng)和控制方法，可以消除不可實現(xiàn)因素。根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，多變量系統(tǒng)的內?？刂破靼▌討B(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到其給定值；濾波器，用于對所述動態(tài)逆模塊計算的輸入值進行過濾；補償模塊，其根據(jù)對變量系統(tǒng)的模型的非最小相位部分設計，用于對所述動態(tài)逆模塊進行補償，以使得所述動態(tài)逆模塊能夠實現(xiàn)。本發(fā)明又一種實施方式提出了一種多變量系統(tǒng)的內模控制系統(tǒng)，其包括多變量系統(tǒng)和上述的內?？刂破?。本發(fā)明又一種實施方式提出了種多變量系統(tǒng)的內模控制方法，其包括動態(tài)逆模塊根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計算多變量系統(tǒng)的輸入值；根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型的非最小相位部分設計補償模塊，對所述動態(tài)逆模塊進行補償，以使得所述動態(tài)逆模塊能夠實現(xiàn)；以及濾波器對所述動態(tài)逆模塊計算的輸入值進行過濾以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達到其給定值。以上實施方式中，通過添加補償項來消除多變量系統(tǒng)的內?？刂破鞯牟豢蓪崿F(xiàn)因素，從而避免了時滯近似所帶來的誤差。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的多變量系統(tǒng)的內模控制器結構圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的內?？刂葡到y(tǒng)；圖3是圖2所示內?？刂葡到y(tǒng)的具體結構；圖4是利用本發(fā)明實施例的內?？刂破鞯姆叫蜗到y(tǒng)的給定值響應；圖5和圖6是利用本發(fā)明實施例的內?？刂破鞯姆叫蜗到y(tǒng)的干擾響應；圖7、圖8、圖9是模型攝動時方形系統(tǒng)的系統(tǒng)響應；圖10是非方系統(tǒng)的系統(tǒng)響應；圖11和圖12是非方系統(tǒng)的在干擾情況下的系統(tǒng)響應；圖13、圖14、圖15是模型攝動時非方系統(tǒng)的系統(tǒng)響應。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。目前，基于內模控制方法，產(chǎn)生了多種設計方法。例如，內?？刂婆c最優(yōu)控制結合， 是以某種最優(yōu)性能指標設計內?？刂破鳎詫崿F(xiàn)優(yōu)化控制的目標；內模控制與能改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能和抵制有規(guī)律的外界干擾的學習控制相結合，內?？刂婆cH00控制相結合，其控制結構由內?？刂频膬拳h(huán)和H00控制器的外環(huán)組成，能夠兼顧性能和魯棒性；內模控制與自適應控制的結合，其基本思想是使內部模型的參數(shù)逐步逼近被控對象的參數(shù)直至相等。為了更好地對本發(fā)明的技術方案進行說明，以下先對本發(fā)明應用的基本矩陣理論進行介紹。首先，廣義逆廣義逆可以定義如下設A是mXn矩陣，若nXm的矩陣G滿足如下的4個Penrose 方程AGA = A ；GAG = G ； (AG)H = AG ； (GA)H = GA ；則稱 G 是 A 的一個 Moore-Penrose 廣義逆，其中Xh代表X矩陣的共軛轉置，同時滿足上述四個式子的G具有與方陣逆相似的性質。根據(jù)矩陣理論的定理，設A是mXn矩陣，A有右逆A*的充要條件是rank(A) =m； 若A有右逆，則其中一個右逆是= Ah(AAh)A其次，關于矩陣分解矩陣分解在矩陣論中有著廣泛的應用，通過矩陣分解，可以獲得矩陣的很多性質， 有幾種比較常見的矩陣分解方法，如LU分解、QR分解及奇異值分解等。其中，奇異值分解相關理論如下定理設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)。以下將以具體實施例對本發(fā)明進行說明。在本發(fā)明實施例中，在內?？刂破鞯脑O計過程中，通過在內模控制器的傳遞函數(shù)中添加補償項來消除針對多變量系統(tǒng)設計的內?？刂破鞯牟豢蓪崿F(xiàn)因素，從而提高內?？刂破鞯目蓪崿F(xiàn)性。圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的多變量系統(tǒng)的內?？刂破鹘Y構圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例的內?？刂破?00包括
動態(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到其給定值；波濾器102，用于對所述動態(tài)逆模塊101計算出的輸入值進行過濾；補償模塊103，其根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型的非最小相位部分設計， 用于對所述動態(tài)逆模塊101進行補償，以使得所述動態(tài)逆模塊101能夠實現(xiàn)。在本發(fā)明一種實施方式中，待控制的多變量系統(tǒng)的模型為η個輸入m個輸出的被控對象，其模型為
權利要求
1.一種多變量系統(tǒng)的內?？刂破?，其特征在于，包括動態(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到其給定值；濾波器，用于對所述動態(tài)逆模塊計算的輸入值進行過濾；補償模塊，其根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型的非最小相位部分設計，用于對所述動態(tài)逆模塊進行補償，以使得所述動態(tài)逆模塊能夠實現(xiàn)。
2.如權利要求1所述的內?？刂破?，其特征在于，所述多變量系統(tǒng)的模型為η個輸入m 個輸出的被控對象，其模型為 其中，g,⑷=g明(Φ、'為& (s)的第j個輸入與第i個輸出之間的傳遞函數(shù)， ；^和^jci(S)是嚴真且穩(wěn)定的矩陣；θ iJ0彡O為該通道的傳輸時滯；其中，與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型為Gm(S)，則所述動態(tài)逆模塊根據(jù)Gm(S)的動態(tài)逆設計，所述補償模塊根據(jù)所述對象模SGm(s)的非最小相位部分Gm+(s)來設計。
3.如權利要求2述的內?？刂破?，其特征在于，當m= n時，所述內模控制器為=Cnc(S) =F(s)GnT1(S)Gm+(s)，其中，F(xiàn)(s)為所述濾波器模塊，G1;1 (s)為所述對象模SGm(S)的逆。
4.如權利要求2述的內?？刂破?，其特征在于，當m不等于η時，所述內?？刂破鳛?Cjmc(S) = G(S)Gm+ (S) F (S) ^φ, F(s)為所述濾波器模塊，《⑷為所述對象模型Gm (s)的廣義逆。
5.如權利要求3或4所述的內?？刂破?，其特征在于，所述Gm+(s)包含了Gm(S)的時滯部分和 RHP 零點，且= diagl \i = 1,2,…,m. 其中，0 Ki為《⑷中第i列元素含有的最大時滯，Zp為矩陣《⑷第i列元素中存在的 RHP極點，<為、的共軛,Wi表示同一 RHP極點％的最大個數(shù)，Di表示G:第i列元素存在Di 個不同的RHP極點。
6.如權利要求1-4中任一項所述的內?？刂破鳎涮卣髟谟?，所述濾波器模塊根據(jù)對所述對象模型的模型終值進行矩陣分解后所得到的分量進行設計。
7.如權利要求6所述的內?？刂破?，其特征在于，對所述控制器進行降階處理。
8.一種多變量系統(tǒng)的內?？刂葡到y(tǒng)，其特征在于，包括多變量系統(tǒng)和權利要求1-4任意一項所述的內?？刂破?。
9.一種多變量系統(tǒng)的內?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?，包括動態(tài)逆模塊根據(jù)多變量系統(tǒng)的被控變量的給定值計算多變量系統(tǒng)的輸入值；根據(jù)與所述多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型的非最小相位部分設計補償模塊，對所述動態(tài)逆模塊進行補償，以使得所述動態(tài)逆模塊能夠實現(xiàn)；以及濾波器對所述動態(tài)逆模塊計算的輸入值進行過濾以使得多變量系統(tǒng)的被控變量的輸出值達到其給定值。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供了多變量系統(tǒng)的內模控制器、控制系統(tǒng)和控制方法。該多變量系統(tǒng)的內?？刂破靼▌討B(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到其給定值；濾波器，用于對動態(tài)逆模塊計算的輸入值進行過濾；和補償模塊，其根據(jù)與多變量系統(tǒng)并聯(lián)的對象模型的非最小相位部分設計，用于對動態(tài)逆模塊進行補償，以使得動態(tài)逆模塊能夠實現(xiàn)。通過添加補償項來消除多變量系統(tǒng)的內模控制器的不可實現(xiàn)因素，從而避免了時滯近似所帶來的誤差。
文檔編號G05B13/04GK102419550SQ201110362909
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權日2011年11月16日
發(fā)明者劉斯文, 曹麗婷, 汪克文, 趙亮, 靳其兵 申請人:靳其兵