（控制理论与控制工程专业论文）复杂系统内模控制策略的研究与实现.pdf

北京化工大学博士学位论文 复杂系统内模控制策略的研究与实现 摘要 本文以工业过程控制领域中的非线性、大时滞、时滞多变量耦合的复杂被控工业 过程为研究对象，以目前在工业应用中实用的内模控制方法为主要控制手段，针对不 同的过程被控对象，采用不同的内模控制结构以及改进了的内模控制结构，并对各种 改进了的内模控制结构进行了理论分析，以及它的稳定性和鲁棒性进行了分析和研 究。 工业过程中的时滞、非线性、以及时滞多变量耦合现象是普遍存在的，由于时滞、 非线性、多变量的耦合严重的影响了控制系统的控制性能，给控制系统的设计带来了 一定的难度，实用性强且易于在计算机集散控制系统( d c s ) 上实现的p i d 控制方法 已不适应于这些被控对象。虽然近年来先后出现了一些先进的控制方法，但是很多控 制算法复杂，计算量大，不易于在工业控制中实施。因此，提出简单、有效、实用的 控制方法对于过程控制来说是很有意义的，本文正是基于这个立足点，考虑到内模控 制的实用性，以内模控制为基本控制方法，提出了一些解决方案和改进措施，主要研 究内容和已取得的研究成果如下t l 、在传统内模控制结构的基础上，系统地阐述了内模控制系统的工作原理，在 深入分析了模型不匹配和存在干扰时系统的鲁棒稳定性和鲁棒性的基础上，通过合理 地调节滤波器时间常数的大小，可以实现系统响应性能和鲁棒稳定性之间的最佳折 衷。 2 、在经典的s m i t h 预估控制方法的基础上，采用内模控制原理来设计s m i t h 预 估控制器，并对具有时滞的一阶被控对象、二阶被控对象和非自衡被控对象；提出了 基于模型失配误差的时滞系统滤波器时间常数五在线调整内模控制，使旯随模型失配 的程度而进行调整。实现系统响应性能和鲁棒稳定性之间的最佳折衷。并将内模控制 算法转换成p i d 控制算法，建立了内模控制器的滤波器时间常数丑和p i d 控制器的比 例系数，积分时间常数、微分时间常数之间的关系，使得p i d 的整定参数仅为一个， 姑未化工大学博士学位论文 并且很容易在现有的可编程序控制器( p l c ) 、智能仪表、集散控制系统( d c s ) 和 新型的现场总线控制系统中进行实施。同时，还采用了遗传算法对内模控制器的滤波 器时间常数进行在线优化调整，并得到了满意的控制效果。 3 、针对化工过程中常见的一类开环不稳定时滞过程，在传统内模控制结构的基 础上，提出了一种改进内模控制结构串级内模控制结构，并根据时滞时间f 与被 0 三 l 和l 三 2 控对象时间常数r 的比例，分为两种情况 r r 来设计内环控制器。 所设计的内环控制器用来抑制负载扰动，而设计的外环内模控制器实现给定值的跟踪 控制。并对该方法进行了稳定性和鲁棒性研究。 4 、研究了基于内模控制的多变量时滞系统的解耦与控制问题，提出了多变量时 滞耦合系统的基于内模控制原理设计的两种解耦控制方法：带积分的多变量时滞系统 的模糊内模控制方法和基于解析解耦内模控制矩阵的设计方法。对多变量时滞系统模 糊内模控制方法给出了结构的理论分析以及模糊规则的制定和控制器的具体实现。对 解析解祸内模控制矩阵的设计方法采用了遗传算法进行解耦控制器的模型近似化。这 两种实现形式的提出在一定程度上简化了推导解耦控制器矩阵的运算量以及简化了 解耦控制器的设计。 5 、研究了非线性系统的内模控制方法，并以一阶、二阶非线性系统和伺服系统 低速时的非线性问题进行研究。在前人提出的口阶逆系统的基础上，采用r b f 神经 网络对非线性系统进行了逆模型的建立，然后采用伪线性复合内模控制方式进行控 制。并对此方法在设定值的跟踪性能以及抗干扰性能上进行了较深入的理论分析。 通过对上述各种被控工业对象的研究，迸一步拓展了内模控制方法，使内模控制 成为理论上更加完善、工程应用方便、适应面更广泛的控制方法。 以上内容均给出仿真实验结果，表明了所研究方法的有效性和可行性。 关键词：时滞系统，非线性系统，内模控制，遗传算法，神经网络，多变量解耦 n 北东化工文学博士学位论文 t 皿d t v e s t i g a t i o na n dt h er e a l i z a t i o no fc o e x s y s t e mi n t e r n a lm o d e lc o n t r o l a b s t r a c t 1 r t l i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h e s ep r o c e s si ni n d u s t r yc o n t r o ld o m a i ns u c ha su n c e r t a i n t y , n o n - l i n e a r i t y , t h eb i gt i m ed e l a ya n dt h et i m ed e l a ym u l t i v a r i a b l ec o u p l i n gf o r t h eo b j e c t s o fs t u d y , a n dt a k e st h ep r a c t i c a li n t e r n a lm o d e lc o n t r o lm e t h o di nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n tf o rt h ep r i m a r yc o n t r o lm e t h o d ，a n du s e st h ed i f f e r e n ti n t e r n a lm o d e lc o n t r o l s t r u c t o a sw e l l 嬲t h ei m p r o v e di n t e m a lm o d e lc o n t r o ls t r u c t u r ei nv i e wo ft h ed i f f e r e n t i n d u s t r yp r o c e s s ，a n dh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si n t oe a c hk i n do fi m p r o v e m e n t o f i n t e r n a lm o d c lc o n t r o ls t r u c t u r e w h i l et h ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c hh a v eb e e nc a r r i c do n i n t o t h es t a b i l i t ya n dt h er o b u s t n e s s t i m ed e l a y , n o n - l i n e a r i t y , 勰w e l l 船m u l t i v a r i a b l et i m ed e l a yc o u p l i n gp h e n o m e n o n i su n i v e r s a li nt h ei n d u s t r yp r o c e s s f o rt h et i m ed e l a y , t h en o n l i n e a r i t ya n dt h e m u l t i - v a r i a b l e sc o u p l i n gs e r i o u s l yi n f l u e n c ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，t h ec e r t a i n d i f f i c u l t yh a sb e e nb r o u g h tf o rt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n t h e r e f o r e , p dc o n t r o lm e t h o d ， w h i c hi sv e r yp r a c t i c a la n de a s yt or e a l i z ei nt h ec o m p u t e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) h a sa l r e a d yb e e nn o ta p p l i c a b l ef o rc o n t r o l l e do b j e c t s n 圮p i dc o n t r o lm e t h o d a l r e a d yc a n n o tg u a r a n t e et oo b t a i nt h eb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c e i nr e c e n ty e a r s ，l o t so f a d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d b u tm o s to ft h e ma r ew i t l lc o m p l i c a t e d a r i t h m e t i ca n dag r e a td e a la m o u n to fc o m p u t i n gs ot h a tt h e ya r ev e r yd i f f i c u l tt ob ep u t i n t oa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，p r o p o s i n gas i m p l e ，e f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lc o n t r o lm e t h o di so f p r a c t i c a lv a l u e b a s i no nt h i ss t a n d p o i n t , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e ss o m es o l u t i o nm e t h o d a n di m p r o v e m e n tm e a s b r e ，c o n s i d e r i n gt h eu s a b i l i t yo ft h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o la n d t a k i n gt h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o l 嚣t h eb a s i cc o n t r o lm e t h o d 皿em a i ns t u d yc o n t e n ta n d c o n c l u s i o n sa r e 船f o l l o w s ： b a s i n go nt h et r a d i t i o n a li n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls t r u c t u r e ，t h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o l i i i 北京化工土学博士学位论文 p r i n c i p l ei sr e p r e s e n t e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h er o b u s ts t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so fs y s t e mi s a n a l y s e du n d e rt h es i t u a t i o no ft h em o d e lm i s m a t c hc a u s e db yu n c e r t a i n t yo ft h ep r o c e s s o b j e c t s t h e n , i tc a nb ei n f e r r e dt h a tao p t i m u mc o m p r o m i s ec a nb ew e l lr e a c h e db e t w e e n t h er o b u s ts t a b i l i t ya n dt h er a p i d i t yo ft h es y s t e mr e s p o n s eb yp r o p e r l ym o d u l a t i n gf i l t e r t i m ec o r a n t o nt h ec l a s s i c a ls m i t hp r e d i c t o rc o n t r o lm e t h o df o u n d a t i o n ，s i m t hp r e d i c t o rc o n t r o l h a sb e e nd e s i g n e du s i n gi n t e r n a lm o d e lc o n t r o lp r i n c i p l e f o rt h ef i r s to r d e rp r o c e s so b j e c t w i t ht i m ed e l a y , t h es e c o n do r d e rp r o c e s so b j e c ta n dt h e n o n - s e l f - r e g u l a t i n gp l a n t s ，a c o n t r o lm e t h o dh a sb e e np r o p o s e db a s e do nf i l t e rt i m ec o n s t a n t 九o fm o d u l a t i n gi n t e r n a l m o d e lc o n t r o l l e ro nl i n e ，w h i c hi sa d j u s t e da c c o r d i n gt oe r r o ri nm i s m a t c hb e t w e e nm o d e l a n da c t u a lp r o c e s s t h e nao p t i m u mc o m p r o m i s eh a sb e e nr e a l i z e db e t w e e nt h er e p o n s e p e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n dr o b u s ts t a b i l i t y t r a n s f o r m i n gt h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o l m e t h o di n t ot h ep i dc o n t r o lm e t h o d , t h er e l a t i o n , w h i c hi sa b o u tt h ef i l t e rt i m ec o n s t a n to f t h ei n t e m a lm o d e la n ds c a l e u pf a c t o r , i n t e g r a t i n gt i m ec o n s t a n ta n dd i f f e r e n t i a t i n gt i m e c o n s t a n to ft h ep i dc o n t r o l l e r , h a sb e e ne s t a b l i s h e d s ot h a tt h en u m b e ro ft h ep i d a d j u s t m e n tp a r a m e t e ri so n l yo n e h e n c e ，i ti se a s yt ob er e a l i z e di np l c ，i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t , d c s a n dn e w - s t y l ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e m a tt h em e a nt i m e ，s a t i f y i n gr e s u l t s o fc o n t r o lh a v eb e e no b t a i n e d w i t ht h ef i l t e rt i m ec o n s t a n to fi n t e r n a lm o d e lc o n t r o l o p t i m i z e do nl i n eb yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m i nv i e wo fc h e m i c a lp r o c e s si nac o m m o nk i n do fs p l i t - r i n gu n s t a b l et i m ed e l a y p r o c e s s , ak i n d o fi m p r o v e di n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls t l a l c t a r e , c a s c a d ei m e r n a lm o d e l c o n t r o ls t r u c t u r e ，h a sb e e np r o p o s e do nt h ef o u n d a t i o no f t r a d i t i o n a li n t e r n a lm o d e lc o n t r o l s t n l e t u r e a n da c c o r d i n gt ot h er a t i oo ft i m ed e l a yta n dt i m ec o n s t a n tto f p r o c e s s o b j e c t , i n t e r n a lr i n gc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e du n d e rt h et w os i t u a t i o n , 0 圭 1a n d l 1 2 低i n t e r n a lr i n gc o n t r o l l e rd e s i g n e di su s e d t or g s t r a i nf l u c t u a t i o nl o a dw h i l et h e j t r a c kc o n t r o lu n d e rg i v e nv a l u ei sr e a l i z e db ye x t e r n a li n t e r n a lm o d e lc o n t r o ld e s i g n e d 1 1 圮 s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e df o rt h em e t h o d t h e d e c o u p l i n ga n dc o n t r o lp r o b l e mo f m u l t i v a r i a b l ep r o c e s s e sw i t ht i m ed e l a y sb a s e d o ni n t e r n a lm o d e lc o n t r o lh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n a n dt w od e e o u p l i n g c o n t r o lm e t h o d so f m u l t i v a r i a b l ec o u p l i n gp r o c e s s e sw i t ht i m ed e l a y , i n t e g r a lf u z z yi n t e r n a l 北东化工史学博士学位论文 m o d e lc o n t r o lm e t h o do ft h em u l t i v a r i a b l ep r o c e s s e sw i t ht i m ed e l a ya n dt h ed e s i g n m e t h o db a s e do na n a l y t i c a ld e c o u p l i n gi n t e r n a lm o d e lc o n t r o lm a t r i x ，h a v eb e e np r o p o s e d o nt h ef o u n d a t i o no fi n t e r n a lm o d e lc o n t r o lp r i n c i p l e f o rf u z z yi n t e r n a lc o n t r o lm e t h o do f m u l t i v a r i a b l ep r o c c s sw i t ht i m ed e l a y , t h e o r e t i c a la n a l y s i so fs t r u c t u r e ，e s t a b l i s h m e n to f f u z z yr u l e sa n dc o n c r e t er e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e rh a v eb e e nr e p r e s e n t e d f o rt h ed e s i g n m e t h o do f a n a l y t i c a ld e c o u p l i n gi n t e r n a lm o d e lc o n t r o lm a t r i x ，t h em o d e la p p r o x i m a t i o no f d e e n u p l i n gc o n t r o l l e rh a sb e e np r o c e s s e dw i t l lg e n e t i ca l g o r i t h m t h et w or e a l i z a t i o nf o r m s a ts o m ee x t e n t , r e d u c et h ec o m p u t i n ga m o u n to nd e d u c i n gt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lm a t r i x a n ds i m p l i f yt h ed e s i g no f t h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e r 1 1 坞i n t e r n a lm o d e lc o n t r o lm e t h o do fn o n - l i n e a rs y s t e m ，a sw e l la sn o n - l i n e a r p r o b l e mo ft h ef i r s to r d e r , t h es e c o n do r d e rs y s t e ma n dl o wv e l o c i t yc o n t r o li nas e r v o s y s t e m , h a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n b a s i n go nt h e 口t h o r d e ri n v e r s e s y s t e mp r e s e n t e db yp r e d e c e s s o r s ，r b fn e u r a ln e t w o r ki s u s e dt oe s t a b l i s ht h ei n v e r - m o d e lf o rn o n - l i n e a rs y s t e m ，w h i c hi sc o n t r o l l e db yp s e u d o - l i n e a rc o m b i n a t i o n a li n t e r n a l m o d e lc o n t r o lm e t h o d a n dd e 印t h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h e t r a c k p e r f o r m a n c ea n da n t i j a m m i n gp e r f o r m a n c ew i t hs e t t i n gv a l u e b yr e s e a r c h i n gk i n d so ft h ec o n t r o l l e di n d u s t r yo b j e c t sa b o v e ，t h ei n t e r n a lm o d e l c o n t r o lm e t h o dh a sb e e nf l 且 t h e rd e v e l o p e dt ob et h e o r e t i c a l l ym o r ep e r f e c t , m o r e c o n v e n i e n ti ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dm o r ew i d e s p r e a di na p p l i c a b i l i t y t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep r e s e n t e df o rt h er e s e a r c h e dc o n t e n ta b o v e 1 1 圮v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h er e s e a r c hm e t h o da r cd e m o n s t r a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：t i m e - d e l a ys y s t e m ，n o n l i n e a rs y s t e m ，i n t e m a lm o d e lc o n t r o l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， n e u r a ln e t w o r k , m u l t i - v a r i a b l e sd e c o u p l i n g v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：1 叁堕日期：童盟：坠： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：笸皇圣e t 期：兰竺：! 皇：! ! 导师签名： 日期： 北京化工土学博士学位论文 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 在石油化工、冶金、机械、航空航天等复杂工业过程领域中，过程对象常常存在 不确定性、非线性、大时滞性、多变量时滞耦合的复杂性以及化工过程的开环时滞不 稳定性，对这些问题，特别是时滞、多变量耦合以及带时滞的开环不稳定过程问题， 用常规的控制方法难以达到理想的控制效果。为了满足工业领域对产品质量、成本及 生产效率等方面的要求，对控制技术提出越来越高的要求，控制界的学者正致力于寻 求更为先进的控制方法和控制策略。 非线性是许多实际控制系统中普遍存在的现象，非线性的产生一方面是由于系统 的不完善而产生的( 如：许多执行机构都不能无限制地增加其输出功率，具有间隙的 机械系统等) ；另一方面是由于系统本身的固有特性( 如多自由度机械手之间的耦合 关系、电力系统中功角与机端电压之间的耦合关系等) ；还有一些是人为引入的非线 性环节( 如模糊控制，棒棒控制等) 。由于非线性系统在过程生产中的普遍存在，使 得非线性系统控制的研究受到控制科学家和控制工程师们的极大关注；并进一步成为 控制领域内十分活跃的研究课题。 而时滞是工业过程中常见的现象，如造纸生产过程，化学反应器以及精流塔等， 除了控制对象本身存在外，信号的采集和控制量的施加等都存在一定的延时，当时滞 时间r 和过程惯性时间常数，之比大于o 3 时，该过程就可以称为大时滞过程。时滞 是一种难以控制的环节，时滞环节的存在相当于使系统变成无穷阶，使得当前施加的 控制作用需要经过一段时间才会在输出中反映。由于时滞的存在，使得被控量不能及 时地反映系统所承受的扰动，从而产生明显的超调，控制系统的稳定性变差，调节时 间大大加长；甚至出现振荡、发散、使得系统的动态特性变差，对系统的设计和控制 都增加了很大的困难l ”。而时变时滞的特性则使得问题更加复杂化，因此如何预估系 统的输出，如何选择合适的控制器，使得时滞系统具有良好的控制品质仍是目前国内 外控制学科研究的难点和热点。 北京化工太学博士学位论文 然而，具有传输时滞的多输入多输出过程也是化工生产中普遍存在的，而且随着 各种各样的先进生产工艺的快速发展，越来越多的生产过程被构造为高维多变量控制 系统，由于多变量过程的各输出通道之间存在交联耦合作用，使得大多数已经发展起 来的单变量控制方法很难用于多变量过程【2 】，并且由于各路过程输出存在传输时滞， 所以使得已经较为成熟的线性多变量理论和设计方法i k l l 】f 艮难应用于实际的化工多 变量生产过程中。因此，近年来，过程控制领域的许多学者和工程技术人员对这个具 有挑战性的重要难题进行了深入和大量的研究和探讨，以期满足当前化工生产领域中 对控制多变量时滞耦合生产过程的迫切要求。多输入多输出时滞过程的解耦控制设计 一直是过程领域中的研究难题，然而，迅速发展的化工先进生产工艺和工程实践对此 具有迫切的需要；因此多变量时滞系统过程解耦控制的研究仍是目前国内外控制学科 研究的又一难点和热点。 同时，在过程控制中，还存在着一类开环不稳定时滞过程；如夹套冷却式搅拌反 应釜和蒸汽锅炉等，这类过程没有平衡状态；而且，在过程变量的测量和控制回路中 存在着滞后现象，因此控制这类不稳定时滞过程存在较大困难。近年来，很多控制界 学者对具有时滞的不稳定过程进行了深入研究【1 2 】，而且成为过程工业控制的研究热 点。 1 2 课题的研究目的和意义 在过程控制中，采用p i d 控制规律的单输入单输出的反馈控制回路以成为过程控 制的核心，其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析 设计和综合。目前，p d 控制仍广泛应用，即便是在大量采用计算机集散系统( d c s ) 控制的最现代化装置中，这类控制回路仍占有总控制回路的8 0 9 0 。主要原因是 p i d 控制算法简单实用，鲁棒性较强，易于在d c s 装置上实现，所以得到了广泛的 应用，然而单回路p i d 控制并不能适应所有过程的被控对象。对于高度复杂的工业过 程，如化学工业工程及过程控制领域中所涉及的被控过程往往具有不确定性、非线性 性、时滞性、多变量时滞的强耦合性以及化工过程的时滞不稳定性和其他不确定干扰 等问题。p i d 算法已经不能保证得至8 较好的控制性能以及满足工业过程控制的需求。 为适应生产过程的不同要求，满足工业界在产品质量、成本和环保系统等方面对控制 2 北京化工文学博士学位论文 技术提出的越来越高的要求，控制工作者除了致力于有效地用好经过长期实践得到证 明的传统控制算法外，正在不断的投入大量的人力物力去寻找更为先进的控制方法和 控制策略。人们经过长期的理论研究和实践证明，在先进控制方法中，最为有效的控 制算法之一就是内模控制( i m c ) 算法1 3 1 。它是g a r e a 和m o r a f t l l 4 l 受模型控制算法和 动态矩阵控制算法的启发，在1 9 8 2 年提出的，其产生的背景主要有两方面；一是为 了对当时的两种预测控制算法m a c 和d m c i ”1 1 1 6 1 进行系统分析，其次是作为s m i t h 预估器的一种扩展，使设计更为简便，鲁棒性及抗干扰性大为改善。i m c 是一种实用 性很强的控制方法，其主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调 整方针明确，调整容易，特别是对于鲁棒性及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效 果尤为显著，因此自从其产生以来，不仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用 1 1 7 1 1 s l 1 9 1 ，在快响应的电机控制中也能取得比p i d 更为优越的效果1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 。经过多年 的发展，i m c 方法已经扩展到多变量系统和非线性系统1 2 3 1 1 2 4 1 。同时，又发展了一些 设计方法，典型的有：( 1 ) 零极点对消法【矧( 2 ) 预测控制法嘲( 3 ) 针对p i d 控制 器设计的i m c 法1 2 6 1 ( 4 ) 有限拍法【2 7 1 等。还有一些是i m c 与其他控制方法的结合：( 1 ) 自适应i m c l 2 8 1 1 2 9 1 。与智能控制形成交叉，出现了采用模糊决策、仿人智能控制、基 于神经网络的内模控制3 3 1 。近年来，内模控制已经推广到多输入多输出系统 ( m n “0 ) 、非线性系统和时变系统中，目前，线性系统的内模控制已研究的比较透 彻，相比之下，非线性系统的内模控制、时滞系统的内模控制、尤其是多输入多输出 系统以及不稳定时滞过程的内模控制的研究进展缓慢，值得注意的是，目前已经证明， 已成功应用于大量工业过程的各类预测控制算法本质上都属于i m c 类1 1 3 1 1 1 8 1 ，在其等 效的i m c 结构中特殊之处只是其给定输入采用了未来的超前值( 预测控制) ，这不仅 可以从结构上说明预测控制为何具有良好的控制性能，而且为其进一步的深入分析和 改进提供了有力的工具。由于i m c 结构简单、调整方针明确，调整容易，鲁棒性和 抗干扰能力强，尤其便于在计算机集散控制系统( d c s ) 上使用。因此，具有工程应用 价值。 对于在近代工业过程控制上面临的问题，美国著名过程控制学者t h o m a s f e d g a r 概括为以下几方面： l 、时滞环节：2 、非线性：3 、非最小相位：4 、外部扰动；5 、不可测变量；6 、 时变参数；7 、内部噪声：8 、多变量耦合。 可见，充分考虑过程对象的非线性，时滞环节、非最小相位以及过程的不确定因 北京化工大学博士学位论文 数对控制系统的影响，克服时滞对控制系统带来的负面作用，是改善工业过程控制质 量的关键性问题；这些问题的改进对控制理论、控制方法和控制手段上都提出更高的 要求。对于这些问题的研究采用内模控制方法具有重要的理论与实际意义。 本文在研究上着重控制方法简单、有效性和实用性强，因此采用目前实用性很强 的内模控制方法和改进内模控制方法来对上述对象的控制问题展开研究。 1 3 本课题的创新之处 对于复杂工业过程领域中的不确定性、非线性、大时滞性、多变量耦合的复杂性 以及化工过程开环时滞的不稳定性的被控对象，获得较好的先进控制方法；以适应化 工、石油炼制等复杂工业领域的需要是非常有意义的。目前虽然对这类过程对象的研 究有了一定进展；但还存在一些问题。如现有的多变量广义预测控制算法由于没有考 虑控制回路之间的耦合影响，因此跟踪性能不能令人满意，而文献 3 4 1 将开环解耦补偿 器与广义预测控制相结合提出的多变量自适应解耦控制算法，需要在线设计开环解耦 补偿器，算法复杂不便于在分布计算机控制系统中实现。考虑到内模控制的最大优点 是把伺服问题与鲁棒性以及干扰问题分开处理，使分析、设计和调整大为简化，同时 又能象s m i t h 预估器那样适用于大时滞系统，便于工业实施；则本课题在以下几方面 实现了一些创新： l 、对于具有时滞的一阶、二阶和非自衡被控过程：采用内模控制原理设计s m i t h 预估控制器。对于上述三种过程对象通过内模控制结构得到与p i d 的对应关系。由此 可以根据内模控制结构得出经典反馈p i d 控制器，以便于在d c s 上实现。并以此控 制结构和控制算法为基础进行深入研究；提出两种在线调整滤波器时间常数五的内模 控制方案：第一种方法是根据过程输出与过程模型输出的误差( 此量能反应出模型的 失配程度和扰动量的大小) 自适应在线调整滤波器时间常数a ，很好地解决了系统在 模型不确定，存在未建模动态特性、模型失配和不确定干扰引起的系统的鲁棒性和稳 定性变差的问题，实现了系统响应性能和鲁棒稳定性能之间的最佳折衷。为内模控制 更好的在线实施提供了有效的方案。第二种方法是根据过程输出与设定值之间的跟踪 误差采用遗传算法对内模控制器滤波器时间常数旯进行在线优化调整；从而达到改善 系统的鲁棒性和抗干扰能力，得到较好的控制效果，为内模控制器的滤波器时间常数 的整定提供了另一条有效的方案。以此部分的研究成果为主要内容发表了三篇文章见 4 北京化工大学博士学位论文 攻读博士学位期间发表的论文【l 】1 2 】【3 】。 2 、将有效地用于单变量时滞过程的内模控制结构推广到多变量系统；推导出多 变量时滞系统内模解耦控制算法；主要是基于单位闭环反馈控制结构的一种新的解析 设计多变量时滞系统的解耦控制矩阵方法；该方法设计的内模解耦控制器同时具有解 耦和控制的作用，通过对角化闭环传递函数矩阵的方法，解析反向推导出解耦内模控 制矩阵，此方法能够实现标称系统输出响应之问的显著乃至完全解耦；在解耦控制器 的设计中，由于所提出的多变量时滞系统的解耦内模控制中，过程模型矩阵中的各元 素的分子和分母均以复杂的方式混含有时滞因子，因而很难进行互质分解，使得推导 解耦控制器过程中的模型复杂；理想的内模控制器较难实现。本文提出采用遗传算法 对推导解耦控制器过程中的模型进行近似模拟或模型降阶，使控制器的推导进一步得 到简化，既简化了控制器的实现，又易于工程实现；以此部分的研究成果为主要内容 已投北京化工大学学报见攻读博士学位期间发表的论文嘲。 3 、提出了带积分环节的多变量时滞系统的解耦模糊内模控制方法；是针对理想 的多变量时滞系统的内模控制器设计复杂，计算量大的问题而提出的。采用模糊控制 作为主控制器，利用模糊控制不依赖于系统的过程模型，以及具有良好的鲁棒性，使 得控制器的设计和实现更简单；易于在d c s 装置上实现。以此部分的研究成果为主 要内容发表了一篇文章见攻读博士学位期间发表的论文 4 1 。 4 、对于工业过程中的开环时滞不稳定过程的控制问题，本文提出了一种基于改 进的内模控制方案，即串级一内模控制方案，设计了四个自由度的控制器。内环采用 前馈反馈控制方案，用于提高系统的稳定性并抑制扰动，外环采用i m c 来跟踪设定 值。对于此类对象的控制，本文按时滞时间与不稳定时间常数的比值s = 将其分类， ， 分为s c l 和l t s c 2 两类进行控制方案研究，提出时滞时间与时间常数的比值在不同归 一化时滞情况时，内环控制器的选择。当s t l 时，内环采用p 或p i 控制器。当i c s c 2 时，控制难度加大，会导致系统发散，因此内环采用p d 控制器，为开环不稳定时滞 对象的控制提供了一条解决路径。以此部分的研究成果为主要内容发表了一篇文章见 攻读博士学位期间发表的论文 5 1 。 北京化工大学博士学位论文 5 、对于非线性系统；在前人【3 5 】研究口阶逆系统的基础上，采用了一种新结构的 动态神经网络，由静态r b f 神经网络用来学习和逼近非线性系统的逆模型，由若干 积分器来表征逆系统的动态特性；建立了基于逆系统方法的内模控制；并对二阶非线 性系统进行分析研究和仿真实验。同时，在伺服系统的低速问题的控制中进行了仿真 应用，仿真结果表明采用了这种控制方法的伺服系统具有良好的动态性能和跟踪效 果，为非线性系统的内模控制以及非线性多变量系统的控制研究提供了基础。以此部 分的研究成果为主要内容发表了两篇文章见攻读博士学位期间发表的论文 6 1 1 9 。 应该看到，以上这些问题基本上都是复杂工业控制领域的控制难题和研究热点， 希望通过本文的研究使得内模控制方法及其改进方法在复杂工业控制领域中的控制 上，理论上发展的更加完善、工程应用上更加方便、适用面更加广泛、控制品质上进 一步提高。使得所研究的先进控制方法更加适合工程实际应用。这项研究工作无论是 对先进控制理论还是对于实际的工程应用都具有十分重要的意义。 1 4 内模控制的研究状况 内模控制与其他算法比较其最大的优点是把伺服跟踪问题与鲁棒性及抗干扰问 题分开处