工业系统内模控制及扰动抑制若干方法研究

作     者：尹浩 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张卫东

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：抗扰控制 内模控制 H2最优控制 扰动观测器 

摘      要：在现代工业生产的控制中,对参考信号的跟踪性能以及对系统扰动的抑制能力已成为控制的关键问题。近年来,国内外的学者们更多的关注如何优化系统对参考信号的跟踪性能,却忽略了系统对扰动的抑制能力。然而一旦系统对参考信号的跟踪性能得到提高,其对干扰信号的抵抗能力便会不可避免的受到影响。因此如何权衡好两者间的关系便成为控制领域的热点问题,同时也是工业现场急需解决的问题。本文针对工业生产广泛存在的这一问题,从理论研究与实际应用的角度出发,深入讨论了能同时保障系统两种性能的控制策略。本文主要研究成果与贡献总结如下:1、针对在现代工业中经常遇到具有积分环节的、不稳定环节的时滞系统(如各种工业反应器的温度控制和生化液罐的液位调节),本文设计了一种基于内模控制的PID控制器来改善系统的抗扰动能力,首先采用H最优控制方法设计内模控制器,然后利用MaCulurin级数逼近的方法获得PID参数。为了平衡系统对参考信号的跟踪性能和抗干扰能力,引入了设定值滤波器来减少系统对参考信号跟踪的超调量。同时通过具体的数值仿真结果来验证所设计控制器的有效性。2、针对传统史密斯预估器对存在积分环节系统不能消除外界扰动对其产生的静态误差。本文对斯密斯预估器的结构进行改进,使其具备消除系统扰动产生的静态误差的性能。改进后的史密斯预估器还能分别提高系统对参考信号的跟踪性能以及抗扰能力。本文将所提出的方法在造纸流程的烘缸部分进行应用,仿真结果显示本文所提出的新的史密斯预估器结构对造纸干燥部有很好的控制效果。3、针对多输入多输出系统,本文提出了一种解耦多变量控制策略。该策略包括多变量扰动观测器和解耦控制器。当系统遇到严重的外部干扰时,系统原本建立起来的平衡状态将被破坏,我们引入扰动观测器以提高系统的抗扰能力,使系统更快的达到平衡。该扰动观测器是基于H最优控制方法来进行设计的。同时应用多变量内模控制理论来对控制器进行设计以改善系统对参考信号的追踪性能。该控制策略极大地简化了扰动观测器和解耦控制器的设计过程。