（控制理论与控制工程专业论文）多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用.pdf

多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 摘要 目前工业自动化水平己成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 现代工业系统普遍存在着多变量、非线性、时滞、强耦合等特点，使用传统 的控制方法很难满足自动控制的要求，尤其针对多变量强耦合系统，如果不 采取解耦措施，系统就无法进行正常工作。为了获得满意的控制效果，必须 对多变量系统实行解耦控制。内模控制以其简便的设计方法，独特的鲁棒性 以及预测能力等特点，使其在解决某些过程的控制问题上显示出了巨大的生 命力。其本文的主要研究内容表现在以下几个方面： 首先文章对内模控制、解耦控制和流浆箱控制的发展历程作了较为详细 的介绍。内模控制它是在经典控制理论难以满足控制系统的基础上提出来的 一种控制方法，能有效地处理多输入多输出系统，并且能揭示系统的更深刻 特性。解耦控制的则主要经历了传统解耦、自适应解耦、鲁棒解耦和智能解 耦等阶段。 。 针对多变量系统为对象，这一章首先介绍了多变量对象的控制研究和多 变量控制要求，接下来主要介绍了多变量系统的数学描述、相对增益矩阵和 解耦的条件等。最后概况了几种减小和消除耦合的方法以及几种典型的解耦 方法。 介绍了内模控制理论，主要从单自由度内模控制和二自由度内模控制入 手，总结了内模控制的结构和性质以及内模控制的设计。详细的介绍了滤波 器在内模控制中的重要作用。 、 以气垫式流浆箱控制系统为对象，对制浆造纸过程工艺流程做了简单的 概述，并对流浆箱的工作原理和数学模型以及控制的要点做了较为详细的介 绍，同时简单的论述了流浆箱的作用和性能要求。 针对流浆箱过程，将内模控制与经典的解耦方法相结合应用到了流浆箱 控制系统中去，并与传统的p i d 控制进行比较，通过仿真结果表明该方法设 计比较简单，而且具有良好的控制性能。并且简要描述了控制系统的硬件组 成和软件设计分析。 全文的工作总结与未来展望。 关键词：多变量，解耦控制，内模控制，流浆箱 r e s e a r c ho nd e c o u p l i n go fm u i r i v a r i a b l e s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nt o h e a d b o xc o n t r o l a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n tl e v e lo ft h ei n d u s t r ya u t o m a t i o nh a sb e c o m e o n eo ft h es i g n i f i c a n te v i d e n c e sf o rt h el e v e lo ft h em o d e r n i z a t i o no fe v e r yw a l k o fl i f e m o d e mi n d u s t r ys y s t e mg e n e r a l l ye x i s t st r a i t so fm u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , t i m e d e l a ya n ds t r o n g - c o u p l e da n ds oo n u s et r a d i t i o n a lc o n t r o lw a y sv e r y d i f f i c u l t l ys a t i s f yd e m a n do fc o n t r o l ，e s p e c i a l l ya i m a ts y s t e m so fm u l t i v a r i a b l e a n ds t r o n g - c o u p l e d ，i fd on o ta d o p tm e a s u r eo fd e c o u p l i n g ，s y s t e mc a n n o tw o r k d e c o u p l i n gi sn e c e s s a r yt om u l t i v a r i a b l es y s t e mf o ro b t a i n i n gc o n t e n tc o n t r o l p u r p o s e f o rt h ea d v a n t a g e so fs i m p l et od e s i g n ，e x c e l l e n tr o b u s t n e s s ，a n db e t t e r p r e d i c t i o na b i l i t y , t h ei n t e m a lm o d e lc o n t r o l ( i m c ) s h o w st h es t r o n gv i g o rt o s o l v et h ec o n t r o lp r o b l e mo fp r o c e s s o u rs t u d ya d d r e s s e st h ef o l l o w i n gt o p i c s ： f i r s t l y , d e v e l o p m e n t a l c o u r s eo fi m cc o n t r o l ，d e c o u p l i n gc o n t r o la n d h e a d b o xc o n t r o la r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e lw h e nt h ec l a s s i c a l c o n t r o lt h e o r yd i f f i c u l t l ys a t i s f yc o n t e n to fc o n t r o ls y s t e m , i m cw a sp u tf o r w a r d i tc a ne f f e c t i v e l yd e a l 、i t hm i m os y s t e m , a n dc a no p e no u tp r o f o u n d c h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m d e c o u p l i n gc o n t r o lm a i n l ye x p e r i e n c ep h a s eo f t r a d i t i o n a ld e c o u p l i n g ，a d a p t i v ed e c o u p l i n g ，r o b u s td e c o u p l i n ga n di n t e l l e c t i v e d e c o u p l i n ga n d s oo n a i ma tm u l f i v a r i a b l es y s t e ma so b je c t ，c o n t r o ls t u d ya n dc o n t r o ld e m a n do f m u l t i v a r i a b l es y s t e mi s f i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r m a i n l yi n t r o d u c e m a t h e m a t i cd e s c r i p t i o n ，r e l a t i v ep l u sm a t r i xa n dc o n m t i o no fd e c o u p l i n go f m u l t i v a r i a b l es y s t e ma n ds oo n l a s t ，g e n e r a l i z es o m ew a y so fl e s s e n e da n d e l i m i n a t ec o u p l i n ga n dt y p i c a ld e c o u p l i n g t h e o r yo fi n t e m a l m o d e lc o n t r o li s i n t r o d u c e d m o s t l y s t a r tw i t h i i i o n e d e g r e e o ff i e e d o mi n t e m a lm o d e lc o n t r o la n dt w o d e g r e e o ff r e e d o m i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 w es u m m a r i z et h es t r u c 眦，t h em e t h o dt od e s i g na n d p r o p e r t i e so fl m c d e t a i l e d l yi n t r o d u c e df i l t e ri sv e r yi m p o r t a n ti ni m c a c th e a d b o xc o n t r o ls y s t e ma so b j e c t ，t e c h n i c sf l o wo fp a p e r - m a k i n g p r o c e s si ss i m p l ys u m m a r i z e d ，a n dw o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d e l a le i n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，d i s c u s sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ed e m a n do f h e a d b o xa l es i m p l yi n t r o d u c e d a i ma tp r o c e s so fh e a d b o x ，c o m b i n e si m ca n dc l a s s i c a ld e c o u p l i n gw a y a r ea p p l i e dt oh e a d b o xc o n t r o li np a p e rp r o c e s s ，a n dc o m p a r e 蜥t ht r a d i t i o n a l p i dc o n t r 0 1 r e s u l to fs i m u l a t i o n sp r o v e ds i m p l ed e s i g na n dw e l lc o n t r o l p e r f o r m a n c eo ft h i sa p p r o a c h a n db r i e f l yd e s c r i b eh a r d w a r em a k e u pa n d s o f t w a r ed e s i g na n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m 卫1 ew o r kc o n c l u s i o na n df u t u r ep e r s p e c t i v ea r eg i v e ni nt h ee n do ft h e p a p e r k e y w o r d s ：m u l t i v a r i a b l e ，d e c o u p l i n gc o n t r o l ，i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，h e a d b o x i v 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王逊望 日 期： 2 q q 墨生 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；拳人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：巡导师签名：搬 期：2 q 妊旦 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 1 绪论 1 1 论文选题的目的和意义 流浆箱是纸机的重要部分，是连接“备浆流送 和“纸页成形”两部分的关键枢纽。 纸机一般由打浆，流送，压榨，烘干等几个重要的分布组成，各部分之间协调工作。而 流浆箱( 又称网前箱) 又是纸机的一个重要组成部分，其作用是把浆料均匀而稳定的流送 和喷布到成型网上，抄造出定量一致、纤纹组织均匀的优质纸幅。如果从流浆箱喷出的浆 速不正常，纸页就会产生纤维絮聚和条痕，严重影响成纸质量。在流浆箱机械结构一定的 条件下，自动控制的系统的优劣直接影响抄纸车间整条生产线质量水平。 当前，随着人们对高质量纸张需求的增加，大型高速纸机不断得到发展。使用传统 的控制方法很难满足控制要求。因此，为了满足高速宽幅的要求，国外主要从机械结构方 面改进流浆箱的性能，从初期的敞开式流浆箱，到气垫流浆箱，再发展到现在的先进的水 力式流浆箱，然而由于国外大型先进设备价格昂贵，受我国的经济和我国基本国情影响。 目前，在造纸行业中国内大部分的企业采用的是气垫式流浆箱，而且价格适中，控制策 略普遍采用的是传统p i d 算法。传统p i d 算法虽然具有结构简单、实现方便、适应性强 等特点，但是在应用中存在着调节缓慢、抗干扰能力弱和稳定性差等特点。流浆箱是强 耦合非线性系统，这种算法在车速较低的情况下基本可以满足要求。但在高车速纸机中， 微小的波动都会对生产造成较大影响。 造纸过程它是一个复杂的物理化学变化过程，由于流浆箱控制系统具有非线性、强 耦合和模型不确定性等特点，在实际的运行过程中，很多造纸厂直接采用调节总压和液 位的p i d 参数来控制，这种控制策略只能保持系统在某个时间段内处于稳定状态，无法 实现长时间的稳定控制。而一般的控制器不能始终保持最优运行，甚至会出现稳定性问 题。 1 2 内模控制的研究历史和现状 内模控制的研究兴起是在2 0 世纪8 0 年代初期，但它的历史起源可追溯到2 0 世纪 6 0 年代。 2 0 世纪5 0 年代中期，经典的控制理论已经发展成熟和完备，并在不少工程技术领 域中得到了成功的应用。但是经典控制理论也具有明显的局限性，突出的是难以有效地 陕西科技大学硕士学位论文 处理多输入多输出系统，并且难以揭示系统的更深刻特性。 在5 0 年代蓬勃发展的航天技术的推动下，从1 9 6 0 年经典控制理论开始过渡到现代 控制理论阶段。r e k a l m a n 系统地把状态空间法引入到系统与控制理论中来，使相关 的现代控制理论从6 0 年代得到了迅速的发展。状态空间理论和方法解决了许多重大问 题，也发展了许多便于计算机实现的算法。考虑蓟实际工业控制系统的情况及需要，一 批和经典控锘| j 理论方法相应的现代频域方法也应运而生，并从7 0 年代开始迅速发展起 来。紧随其后，智能控制理论也发展起来，它是控制理论发展的高级阶段，空前地拓展 了人类在控制领域的视野。 在这段控制理论发展期间，许多文献都提到过内模控制的思想和原理。如b r o s i l o w 在1 9 7 9 年比较详细地论述了与内模控制原理相近的控制思想。但直到1 9 8 2 年，c a r l o s e g a r c i a 和g a n f r e dm o r a r i 才正式将内模控制作为一种独特的过程控制方法提出。 这之后，内模控制得到了迅速发展。无论是理论研究还是工程应用研究都成了非常 热门的话题。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，在过程控制中获得了大量应 用，广泛应用于化工、电力、通讯等工程研究领域。文献 7 针对p h 值控制系统提出了 一种基于模糊推理网的非线性内模控制算法( f n i m c ) ，文献 8 将内模控制算法应用到柔 性四连杆机构振动主动控制试验中，取得了良好效果。文献 9 利用内模控制原理，成功 地对某1 7 6 0 纸机实施实时控制，文献 1 0 3 采用内模控制原理，并结合工程设计方法，针 对直流电动机同步驱动问题，找出了一种较好的i 可步方案。文献 1 1 把内模控制器成功应 用于常压塔加热炉出口总温的控制中。文献 1 2 把内模控制器成功应用于常压塔加热炉 出口总温的控制中。文献 6 将内模控制用于火电厂中储式磨煤机的自动控制。但内模控 制在理论和应用技术上也存在不足和缺陷。因此，研究更通用、有效的内模控制理论和 方法成为内模控制发展的必要。 内模控制是一种基于模型的设计方法，因此模型的准确程度是影响系统性能的一个 非常重要因素。而电力工业生产工程日益复杂，不同的生产过程具有不同的动态特性， 单纯依靠内模控制不能解决所有问题，所以如何把内模控制与其它控制工具相结合是近 年来专家学者针对内模控制的主要研究方向。 1 3 解耦控制的研究现状 随着现代工业的不断发展，生产规模越来越复杂，在一个生产过程中，需要控制的 变量及操作量常不止一个，而且这些变量之间以某种形式存在着相互的关系，即耦合。 2 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 控制对象存在耦合，就会降低控制系统的调节品质，耦合严重时会使系统无法投入运行， 因此对解耦理论的研究是很有意义的。 解耦控制系统是属于多变量控制范畴的一种系统。早在上世纪4 0 年代后期，h m j a m e s 就在涡轮发动机的控制中研究耦合对象的解耦方法，并于1 9 4 7 年在m c g r a w - h i l l 出版社推出“伺服机理论一书。解耦控制在5 0 年代曾一度吸引不少学者从事该领域的 研究工作，r j k a r a n a g h ，l a g o u l d 及g c n e w t o n 等分别按前置解耦网络或反馈解耦 网络探索工程解耦的实现问题，开始以多变量问题研究解耦系统，如涡轮发动机的解耦 功能就是由反馈网络来实现的，反馈解耦网络矩阵k 与对象网络矩阵h 及预期解耦目标 矩阵h o 有密切相关，k = 盯l 盯1 ，这不同于前置解耦网络d = 盯1 h o ，当h o 为对角形矩阵传 递函数时，反馈解耦与前置解耦均属于完全解耦，其可实现条件是h 必须为非奇异矩阵。 j c g i b s o n 在“非线性自动控制 一书中( m c g r a w - h i l l1 9 9 3 ) 详细阐述应用反馈解耦对 涡轮发动机进行控制，成功地解决由推进器叶片角度与燃料量控制发动机速度与涡轮入 口度与燃料量控制发动机速度与涡轮入口温度。解耦对提高复杂多变量控制系统的品质 受到控制工程界的肯定，逐步成为一个引人注目的研究课题，尤其是以后数学家的介入， 将以解耦控制为核心的多变量系统控制理论的研究推向了热潮，研究内容相当丰富。 随着被控系统越来越复杂，被控对象存在着更多难以控制的因素，如不确定性、 外扰、非线性、滞后、非最小相位特性等使得工程对耦合控制系统的设计要求越来越高， 设计难度也越来越大。解耦问题成为学术上与工程上一大难题，所以一直以来理论与工 程界将其作为一个热点问题研究。 在一个工程中由于耦合的存在常使控制遇到以下几种问题： 一个存在着耦合的系统由于各回路不能分开独立考虑，所以回路参数的整定要多 次进行，但通常很难得到一个满意的整定结果。 耦合系统的分析与设计所要求的有关系统的信息远远多于解耦系统所要求的信 息。 一个解耦后的系统可以应用常规的标准设计方法进行设计。但对于存在耦合的系 统迄今也没有找到一种可通用的简使设计方法。特别是变量较多时，事实上很难进行精 确解耦设计。 解耦后的系统可以随时按照控制要求在线整定各回路，也就是闭环状态下进行在 线整定；而对于一个存在耦合的系统，由于关联的因素太多，难以随时进行在线整定。 因此，在工程应用上，多变量解耦控制的研究课题越来越多。使用的解耦方法大致 如下： ( 1 ) 传统解耦控制方法 传统解耦方法以现代频域法为代表，也包括时域方法，主要适用于确定性线性m i m o 3 陕西科技大学硕士学位论文 系统包括对角矩阵法、相对增益分析法、特征曲线分析法、状态变量法、逆奈氏阵列法 ( i n a ) 等。实现解耦控制的思想是通过解耦补偿器的设计，使解耦补偿器与被控对象组成 的广义系统的传递函数矩阵为对角阵，从而把一个由耦合影响的多变量系统化为多个无 耦合的单变量系统。 ( 2 ) 自适应解耦控制方法 对于m i m o 不确定性问题，多变量自适应解耦控制的研究为这类问题的解决提出了可 行性方法。多变量自适应解耦控制方法是将被控对象的解耦、控制和辨识结合起来，可 以实现参数未知或时变系统的在线精确解耦控制。 自适应解耦的方法将耦合项作为可测干扰，采用自校正前馈控制的方法对耦合进行 动、静态补偿。对最小相位系统采用最小方差控制律可以抑制交连，对非最小相位系统， 可以采用广义最小方差控制律。只要最优预报和性能指标函数中含有耦合项，就可以达 到消除耦合的目的。上述解耦方法设计时需求解d i o p h a n t i n e 方程，而方程的求解，未 知数个数会少于方程个数，因此解出的只能是最小二乘解，耳p 近似解。如果增加“静差 等于零一的约束，以实现静态解耦，但动态解耦仍不能完全实现。 多变量自适应解耦控制用于工业界，如工业电加热炉上下加热段炉温的多变量自适 应解耦，大型火力发电机组的机炉协调自适应解耦控制等，都取得良好控制品质。可以 看出，多变量自适应解耦控制技术在解决复杂工业过程的自动控制问题方面有其独到的 优势和广泛的应用前景。 ( 3 ) 鲁棒解耦控制 多变量鲁棒解耦理论是鲁棒控制理论的一个方向，其实质是通过设计鲁棒预补偿器。 使摄动系统为鲁棒对角优势，从而将多变量系统化为若干单变量系统来设计。 鲁棒解耦的研究主要使用以下几种工具：日。方法和结构奇异值理论、线性矩阵不 等式方法( i ) 和代数方法。 目前，鲁棒解耦已逐步由理论研究转向应用研究，并得到了很好的应用效果。例如 用日。方法设计发动机控制系统增强了系统的稳定鲁棒性；状态反馈解耦理论应用于串 联多关节机器人控制，有效地解决了机器人控制中存在的复杂变量耦合问题，可见鲁棒 解耦的应用有着广泛的前景。 ( 4 ) 智能解耦控制 由于它在解决非线性方面的独特优势，使它在非线性系统解耦控制方面得到了广泛 的关注。它可以实现对线性和非线性系统在线精确解耦，解决了传统解耦方法不易实现 精确解耦的问题。 模糊解耦控制主要有两大类方法：一类是直接解耦方法；另一类是间接解耦方 法。直接解耦法是国内外研究较多的一种解耦方法。 4 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 直接解耦法一种是对控制对象进行解耦，然后针对解耦而成的各单变量过程进行模 糊控制系统设计。另一种直接模糊解耦方法是对控制器的解耦。如对多变量模糊控制算 法进行研究，利用多维模糊条件语句的分解定理，引进模糊子集的交叉系数，获得了多 变量模糊控制算法的简捷表达式，再借助于多变量系统解耦设计原理，用多个单变量模 糊控制器来表示一个解耦多变量模糊控制器。这样不仅实现方便，也减少了对计算机内 存和计算时间的要求。缺点是仍然要求已知一组多维模糊控制规则，这给实际应用带来了 很大困难。 间接解耦法是通过对多变量模糊控制规则进行模糊子空间的分解实现解耦。如引入 随机相关因子，利用此类因子构造出多维概率模糊控制器。或提出采用相关因子分解控 制规则的多变量模糊控制器。g u p t a 等人在这些研究的基础上，提出通过对多变量模糊 控制规则进行子空间的分解，后用一组二维模糊方程描述多维模糊控制规则。这种方法 降低了对计算机内存容量的要求，减少了计算量。但其最大缺陷是不满足一致性条件， 从而难以得到良好的控制效果。 模糊解耦控制系统的研究尚处于发展阶段，很多结论只是理论推导，还不能进入实验 室加以验证。同时，针对解耦之后控制系统稳定性! 可控可观性的研究也没有成熟。 神经网络解耦控制由于神经网络可以在指定的紧集上以任意精度逼进任意解析 非线性函数，而且具有学习、自适应能力，使它能够处理系统的非线性特性，同时又有 很强的容错能力。因此神经网络成为了实现非线性系统控制的有力工具。但是单独的神 经网络控制很难满足系统的要求，它常同其他算法结合实现解耦控制。 尽管神经网络解耦的研究已有一些研究成果，但是神经网络有着自身无法解决的问 题，而且非线性对象不像线性对象那样容易分解和交换，因此非线性解耦理论与神经网 络结合较为困难，难以找到通用的解耦条件判据。所以神经网络解耦理论发展较为缓慢， 更多的解耦策略都带有尝试性只能依靠仿真来佐证，只有少数情况下，对某一特定类别 的系统可以进行可解耦性分析。 自适应解耦与智能解耦都是以传统解耦理论为基础，更侧重于控制器的研究。这两 类方法更多采用了试探、优化的方法来设计控制器，因而在理论研究上还不十分完善， 在系统可解耦性的证明、解耦算法的稳定性、收敛性的证明等方面，都还有大量的工作 要做，这是一很有发展前途的方向。在工程实践中，许多解耦理论由于设计方法及算式 过于复杂而难以推广应用，因此寻求一种有效的、简单易行的控制方法，即寻求理论研 究同实际应用的结合点是今后研究的一个方向。在m i m o 解耦控制中目前逐渐出现了将自 适应控制预测控制、神经网络、模糊控制、遗传算法等先进控制手段合理搭配来实现解 耦，这种扬长避短的方法也不失为解决耦合问题的一个有效途径。 5 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 流浆箱控制算法综述 1 4 i 模糊控制算法 模糊控制器是在总结人工的经验的基础上，提出的一种控锘! 算法，该控制算法具有适 应性和鲁棒性强的特点，因此，在工业过程中受到广泛的应用。模糊控制的关键就是得出 模糊控制规则，形成模糊控制知识库，具体设计步骤是：( 1 确定模糊控制器的输入输出变 量，在气垫式流浆箱控制系统中，输入量为液位偏差和总压偏差，输出量分别是罗茨风机 和冲浆泵变频器的控制信号；( 2 ) 确定输入输出变量的语言值域及相应的隶属函数：( 3 ) 建立模糊控制规则，模糊控制规则是由经验以及判断得出的一系列语言规则，建立控制规 则时必须考虑所有的输入状态，使得在每一输入状态下都有相应的控锘4 规贝l j 在起作用；实 际应用时，要通过调整因子，并根据实际经验弱化或消除某些控制规则对系统的影响，以 保证在不影响控制效果的前提下减轻编程工作量和计算量；( 4 ) 确定模糊推理方法；( 5 确定解模糊方法，最终得到被控对象的精确输出控制量，从而达到控制系统要求。 1 4 2 神经网络算法 神经网络理论是在现代神经科学研究的基础上提出的，具有集体运算和自适应学习 的能力以及很强的容错性与鲁棒性，本控制方案采用了b p 算法一反向传播算法，它是 最常用的神经网络算法，它是一种多层结构的映射网络，网络的信息是向前传播的，但其 在训练中的误差修正方向是反向的其采用的学习算法是d 学习规则，学习方式采用有导 师的学习机制，基于神经网络的控制称为神经网络控制。根据流浆箱控制系统的特点， 与采集的大量实验数据训练出网络参数，得到与系统相匹配的静态解耦控锘n 器，然后通 过编程实现神经网络控制器输入输出的拓扑关系。由于气垫式流浆箱控制系统为总压与 液位强耦合的二维输入输出系统，在具体实现过程中，采用具有一个隐含层的b p 网络， 隐含层的个数选为5 个，然后再确定神经网络解耦控制器的输入变量和输出变量，其输 入变量为总压和液位的p i d 控制器的输出；输出变量为总压和液位回路的实际输入。其 系统控制框图见文献 3 7 。该控制器既解除了气垫式流浆箱压力和液位的耦合关系，而 且在工作过程中利用它不断的学习的作用克服了非线性的特性，又具有实现简单的特点。 从仿真曲线中看的出加入了神经网络控制器以后，系统具有良好的动静态特性，取得令人 满意的控制效果。 6 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 1 4 3 仿人智能算法 此控制方案根据气垫式流浆箱控制系统的工作原理，基于操作者的操作经验和控制 理论，组成一个基于仿人协调控制的控制器。仿人智能控制算法的实质是模仿人的启发式 直觉推理逻辑，即通过特征辨识系统当前的状态，从而确定控制策略。此控制器最关键 之处就在于控制器结构的决定和控制规则的制定。 流浆箱实施仿人智能控制，需要将其过程分为几个阶段：( 1 ) 开机阶段，液位和压力为 零，偏差最大，需要增加压力和液位；( 2 ) 调整阶段，液位和压力相差不大，需要进行微调； ( 3 ) 运行阶段，液位和压力的误差在允许范围内，需要实时监控，如果因为浆池等因素引起 波动系统可以马上进行调整，车速改变所需要的压力随之改变，实时调整：( 4 ) 停机阶段， 需要先停浆泵，然后才能停风机，防止灌浆。根据这些原则，可以建立文献 4 6 中的控制规 则。根据所制定的控制规则，在实际运行过程中表明该系统具有组成简单、运行可靠、 操作方便等特点。 1 4 4 自适应解耦算法 自适应控制器能够及时的修正自己的特性来适应对象和扰动的动态特性变化，从而 使整个控制系统始终处于满意的工作状态，其优点是：( 1 ) 对不确定的或事先难以确知的 对象有比较好的适应性；( 2 ) 能够消除状态扰动及系统结构扰动引起的系统误差；( 3 ) 仅 需要较少的验前知识，对数学模型的依赖性小，更多的依靠计算机技术来实现；( 4 ) 它是， 在一般负反馈的基础上增加了自适应机构，思路清晰，容易被工程技术人员接受。对于气 垫式流浆箱系统，由于存在干扰、滞后、非线性和耦合等问题，常规p i d 控制或其它传 统控制方案难以达到高速纸机要求的控制精度和反应速度，因此可以通过自适应控制来 进行精确调整。 1 4 5 神经网络内模控制算法 由于现代抄纸过程对流浆箱的控制要求越来越高，因此常规的控制策略已经不能满 足需要了。随着智能控制研究的发展和成熟，人们开始把它应用到流浆箱的控制上。气垫 流浆箱是一个多变量强耦合非线性对象，它的两个控制变量总压和浆位之间存在着严重 的相互关联，因此，对它进行解耦控制是非常必要的。但是普通的解耦方法如前馈补偿解 耦、零极点配置解偶等，往往达不到理想的解耦效果。人工神经网络的出现为上述问题的 解决提供了一条出路。众所周知，人工神经元网络具有学习能力、泛化能力、容错能力和 7 陕西科技大学硕士学位论文 非线性映射能力，它可以弥补常规方法的局限性，使得非线性、时变性和不确定性多变量 系统的解耦控制成为可能。内模控制( i m c ) 是一种预测控制，它具有十分明了的动静态性 能，具有在线整定比较方便，而且不影响闭环的稳定性、品质好，采样间隔不出现纹波的优 点。i m c 控制系统适用于纯滞后、多变量、非线性等系统。因此，我们可以将神经网络控 制和内模控制的这些优点相结合应用至i j 气垫流浆箱的控依啦上。从而得出了此控制方案即 神经网络内模控制。 1 5 本文研究的主要内容 论文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 第一章是综述部分，主要是对从论文的选题和意义出发，并对内模控制和解耦 控制以及流浆箱控制的发展进行了概述。 ( 2 ) 第二章针对多变量系统为对象，介绍了多变量对象的控制研究和多变量系统控 制要求，接下来介绍了多变量系统的数学描述、相对增益矩阵和解耦条件等。最后概况 了几种减小和消除耦合的方法以及几种典型的解耦方法。 ( 3 ) 第三章介绍了内模解耦控制理论，主要从单自由度内模控制和二自由度内模控 制入手，介绍了内模控制的结构和性质以及内模控制的设计。并对滤波器的设计进行详 细的介绍。同时也对内模控制的性能进行了分析o ( 4 ) 第四章以气垫式流浆箱控制系统为对象，首先对制浆造纸过程工艺流程做了简 单的概述，并对流浆箱的工作原理和数学模型以及控制的要点做了较为详细的介绍，同 时简单的论述流浆箱的作用和性能要求。 ( 5 ) 第五章是系统的仿真与设计，本章主要对所提出的控制进行了仿真验证，并与 常规p i d 控制进行了对比，结果表明该方法具有较好的控制性能，并对系统的软硬件设 计进行了分析。 ( 6 ) 第六章是论文总结，对全文的主要研究内容进行了总结，指出了其他有待深入 研究的问题和今后工作的重点。 8 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 2 多变量解耦控制系统 在一般的控制系统中，经常把控制系统看成是单输入单输出系统，在这类系统中， 假设过程只有一个被控制量，在影响这个被控制量的因素中，选择一个控制量，而把其 它因素看成扰动，这样构造出单输入单输出控制系统通常我们称之为无耦合系统。但是 在实际的工业过程中，往往有多个控制参数需要控制，影响这些参数的控制量也不只有 一个。所以说，大多数工业过程是多输入多输出系统，一个输入会影响多个输出，一个 输出也将会受到多个输入的影响，此时系统存在耦合，必须要采用解耦控制，使各系统 成为独立的控制回路，即一个输入只影响一个输出，一个输出也只受一个输入的影响， 这样的控制系统就是解耦控制系统。例：火力发电厂中的锅炉就是一种多输入、多输出 的典型过程。其中每个被控量都同时受到几个控制量的影响，而每个控制量都能同时影 响几个被控制量。 对于多变量控制系统的耦合，有的可以通过被控量与控制量之间的适当配对或重新 整定调节器参数的方法来处理。对于相互关联严重的过程，目前一般采用设计解耦装置 来解除其耦合关系。而相对增益( 相对放大系数) 是度量耦合程度的一种方法，可用它来 确定系统之间的相关程度和耦合性质，一般用一个矩阵表示。 2 1 多变量对象控制的研究进展 多变量耦合是复杂现代工业系统的重要特点，其控制系统的控制器设计及其参数选 择尚缺乏通用有效的方法。根据控制系统的实现方式，一般可分为多回路设计和多变量 设计。 1 多回路设计 在控制结构上，多回路控制采用化繁为简的思路，将多变量系统分解为各自独立的 多个单变量子系统，然后分别设计各自的控制器，回路间的相互影响作为扰动处理，因 而适用于耦合较弱或者近似解耦的多变量系统。多回路控制最具吸引力的优点是：控制 器结构简单，容易被工程人员理解，可调参数比多变量控制器少。此外，当发生回路故 障或某些回路切至手动方式时，多回路控制系统也比真正的多变量控制系统容易处理。 由于回路间互相影响仍然存在，其控制器的设计不能简单地等同干单回路控制器。如有 效开环对象方法：该方法将设计多回路控制器的任务分解为设计等价的单回路的控制器。 由耦合带来的设计困难通过一个表征开环传递特性的有效开环过程 ( e f f e c t i v e o p e n - l o o pp r o c e s s ，简称e o p ) 来处理。有效开环过程是指所有其他回路都 9 陕西科技大学硕士学位论文 闭合且完全控制时，当前回路的等价开环特性。e o p 的计算使得各控制器可以直接独立 设计，而不需要了解其他回路的控制器信息。方法对低维的m i m o 系统非常有效；对于高 维系统，有效开环对象的计算量和模型简化误差随系统维数很快增加，设计时必须更加 保守。 2 多变量设计 对于耦合严重的系统必须采用多变量解耦控制。相对于多回路控制而言，多变量控 制是一种非常紧密的控制。但是它需要非标准的设备( 如工控计算机，数据采集卡，通讯 等) ，容易发生故障，而且故障发生严重时整个系统可能崩溃。对于复杂的强耦合系统非 线性和对象模型不确定的系统，在调节器和传感器有限的情况下，多变量控制方案就是 唯一现实的选择。 ， 多变量控制系统解耦设计经过多年发展，出现了非常丰富的理论和方法。多变量频 率域方法已经形成了相对完整的理论体系。文献 1 5 1 6 吴麒等开发的多变量控制系统 智能设计软件i n t e l d e s 3 0 是多变量频率方法的总结。该软件将专家知识与多变量频率 设计理论相结合，进行控制系统的优化设计，能够获得完全解耦的高阶控制器。但是， 专家知识体现为频域形式表达的闭环期望特性，对于控制现场广泛存在的非线性约束和 多种形式的目标，则无法处理。获得的控制器阶数比较高，用现场控制器实现困难。 目前工业控制现场的控制器多是p t d 形式，为此一些学者提出了p i d 与先进控制技 术相结合的解耦控制方法，如文献 1 7 王介生提出的参数自整定p i d 解耦控制器，它是 由模糊自整定单元，对角矩阵法的解耦补偿器和p i d 控制器所组成。虽然p i d 控制具有 原理简单，使用方便，适应性强等优点，但是在设计的过程中比较复杂，尤其是在对参 数p 、i 、d 整定上比较麻烦。在对一些较为复杂的控制系统时设计起来就非常的困难了。 还有某些学者提出了利用两种智能控制相结合的方式对系统进行解耦和控制，如参考文 献 4 2 李辉提出的一种多变量模糊神经网络解耦控制器的设计，对象模型的模糊神经阿 络解耦控制器是由基于连续性智能权函数的自调整模糊控制器和基于动态耦合特性的自 适应神经网络解耦控制器串联构成。这种解耦控制方法虽然具有响应速度快、超调小的 优点，但在结构上实现起来是非常复杂的。 2 2 多变量系统的控制要求 现代工业系统普遍具有结构复杂、多变量耦合、非线性和不确定性等特点，因此控 制系统的设计要兼顾多方面的要求。概括来说，除了本文研究的解耦性能外，复杂多变 量控制系统的设计还要考虑以下几个方面： ( 1 ) 多模型 l o 多变量系统解耦的研究及其在流浆箱控制中的应用 以过热汽温胁，为例，当负荷上升时，由于过热蒸汽流量增大，相对于同等变化的减 温水流量，过热汽温对象的静态增益和时间常数都将随负荷单调变化。为此，需要对被 控对象的工作区域进行合理划分，建立多个典型工况点下的数学模型，用于控制系统设 计和分析。 ( 2 ) 多目标 即使对干某个特定的运行工况，控制系统对设计指标的要求也是多方面的。目前常 见的指标可以分为时域指标和频域指标两类。时域指标描述系统的时域响应特性，如上 升时间、调节时间、超调量、衰减率、最大动态偏差、静差、各种误差积分指标及二次 型指标等，便于对控制系统的性能进行分析。频域指标常见的有h 2 z 乙二范数指标、灵 敏度和补灵敏度、结构奇异值以及幅值相位裕量等，便于对系统的稳定性和鲁棒性进行 衡量。不同生产过程对系统性能指标的要求是不一样的，因而指标的选择具有一定的灵 活性。片面地追求单个指标最优，而忽略了其他因素，则可能出现在数学上指标值最优， 但实际性能不满意的情况。因此应当精心设计反映控制设计要求的综合性能指标作为优 化目标。 ( 3 ) 多扰动 扰动是控制系统中最为常见的现象。从扰动发生的位置看，可以分为设定值扰动、 负荷扰动、控制量扰动、模型参数扰动等；从扰动信号的性质看，有阶跃信号、方波信 号、斜坡信号、正弦波信号、脉冲信号等。实际控制系统中扰动形式是多种多样的，例 如火力发电机组升降负荷时，负荷指令是斜坡信号的形式，电网的低频扰动可以近似为 一定频率的正弦信号，三相短路故障对系统的扰动可以看作脉冲信号等等。多数控制系 统设计方法主要针对于设定值阶跃扰动响应和负荷扰动，当主要扰动发生在其他位置且 具有特殊形式时无法灵活处理。 ( 4 ) 多约束 任何实际的控制系统都存在各种约束。无论是物理设备自身约束，还是运行操作中 对某些变量的限制，都表现为非线性形式，不容易采用解析方式分析。在多变量系统中 约束数量更是大大增加，互相影响更为复杂，进一步增加了控制系统设计的难度。 2 3 多变量系统的数学描述 大多数研究和设计系统的方法都需要有一个能够较好地描述系统特性的数学表达方 式，即系统的数学模型。数学模型的精确程度直接影响着系统的设计和调试。数学模型 一般有参数模型和非参数模型两大类。参数模型的主要有状态空间和传递函数表示法， 即内部描述法和外部描述法。 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 1 对象模型的内部描述法 状态空间描述是内部描述的基本形式。内部描述的出发点是把系统看成是一个“白 箱 ，也就是说系统的结构和内部信息是可以知道的。而与之相反的是外部描述。接下来 介绍连续系统和离散系统的模型表示方法。 ( 1 ) 连续系统 在分析对象动态特性时，可以找到最少一组n 个能确定对象特性的变量 五( f ) ，x 2 ( t ) ，x n ( t ) ，称为状态变量。n 称为系统的阶。记成向量的形式，则 j o ) = h ( ，) ，而( r ) ，毛( ，) r ，称为状态向量。它和输入向量“o ) = 【( f ) ，材：( ，) u w ( t ) y ， 输出向量州= y x o ，咒似舅p 汀的关系可以用一组一阶微分方程和一组代数方程来 表示。写出矩阵形式为： x = 出+ b u y = c x + d u ( 2 - 1 ) 其中，x 为n 维状态，u 为m 维输入，y 为，维输出。称刀刀阵a 为系统矩阵，n x m 阵b 为输入矩阵，l xn 阵c 为输出矩阵，l xm 阵d 为传输矩阵，它们由系统结构和参数所决 定。n 阶首1 多项式行列式代表内部状态，特性特征多项式的根即系统的特征值称为系 统的极点。可见状态空间模型清楚的表达了系统的结构特点。 ( 2 ) 离散系统 对离散系统状态变量之间的关系用一阶差分方程来表式。相应的矩阵向量形式 x(七+1)=gk(露)+阮(后)(2-2) y ( 七) = c k ( 七) + d u ( k ) 对式(