解耦控制系统常规设计

第一章 概述 1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。 控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件 1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统 1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？ a.衰减比和衰减率：稳定性指标； b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标； c.余差：稳态准确性指标； d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。 第二章 过程控制系统建模方法 习题2.10 某水槽如图所示。其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。要求： （1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程； （2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。 （1）物料平衡方程为123d ()d H Q Q Q F t -+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t ??-?-?= 而22h Q R ??= ， 33 h Q R ??=， 代入增量关系式，则有23123 ()d d R R h h F Q t R R +??+=? （2）两边拉氏变换有： 23 123 ()()()R R FsH s H s Q s R R ++ =

故传函为： 23232 3123 ()()()11R R R R H s K G s R R Q s Ts F s R R +=== +++ K=2323 R R R R +, T=23 23R R F R R + 第三章 过程控制系统设计 1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。试问： （1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？ （2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？ （3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器 的正反作用？ 解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量 （2）被控变量：物料出口温度。因为其直观易控制，是加热系统的控制目标。 操作变量：蒸汽流量。因为其容易通过控制阀开闭进行调整，变化范围较大且对被 控变量有主要影响。 （3）由于温度低物料凝结所以要保持控制阀的常开状态，所以控制阀选择气关式。控制 器选择正作用。 2. 如下图所示为一锅炉锅筒液位控制系统，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的框图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？ 解：系统框图如下：

解耦控制系统设计与仿真 姓名： 专业： 学号：

第一章解耦控制系统概述 1.1背景及概念 在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入的作用。要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。 所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。解耦控制是一个既古老又极富生命力的话题，不确定性是工程实际中普遍存在的棘手现象。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。 1.2主要分类 三种解耦理论分别是：基于Morgan问题的解耦控制，基于特征结构配置的解耦控制和基于H_∞的解耦控制理论。 在过去的几十年中，有两大系列的解耦方法占据了主导地位。其一是围绕Morgan问题的一系列状态空间方法，这种方法属于全解耦方法。这种基于精确对消的解耦方法，遇到被控对象的任何一点摄动，都会导致解耦性的破坏，这是上述方法的主要缺陷。其二是以Rosenbrock为代表的现代频域法，其设计目标是被控对象的对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上避免全解耦方法的缺陷，这是一种近似解耦方法。

1.3相关解法 选择适当的控制规律将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的控制问题。在解耦控制问题中，基本目标是设计一个控制装置，使构成的多变量控制系统的每个输出变量仅由一个输入变量完全控制，且不同的输出由不同的输入控制。在实现解耦以后，一个多输入多输出控制系统就解除了输入、输出变量间的交叉耦合，从而实现自治控制，即互不影响的控制。互不影响的控制方式，已经应用在发动机控制、锅炉调节等工业控制系统中。多变量系统的解耦控制问题，早在30年代末就已提出，但直到1969年才由E.G.吉尔伯特比较深入和系统地加以解决。 1．3.1完全解耦控制 对于输出和输入变量个数相同的系统,如果引入适当的控制规律,使控制系统的传递函数矩阵为非奇异对角矩阵，就称系统实现了完全解耦。使多变量系统实现完全解耦的控制器，既可采用状态反馈结合输入变换的形式，也可采用输出反馈结合补偿装置的形式。给定n维多输入多输出线性定常系统(A，B，C)（见线性系统理论），将输出矩阵C表示为 为C的第j个行向量,j=1,2,…,m，m为输出向量的维数。再规定一组结构指 数di（i=1,2,…,m）:当B=0,AB=0…，AB=0时，取di=n-1；否则，di取为使CiAB≠0的最小正整数N，N=0,1,2,…,n-1。利用结构指数可组成解耦性判别矩阵： 已证明，系统可用状态反馈和输入变换，即通过引入控制规律u=-Kx+Lv，实现完全解耦的充分必要条件是矩阵E为非奇异。这里，u为输入向量，x为状

自动控制原理第六章课后习题答案（免费） 线性定常系统的综合 6－1 已知系统状态方程为： ()100102301010100x x u y x ? -???? ? ?=--+ ? ? ? ?????= 试设计一状态反馈阵使闭环系统极点配置为－1，－2，－3. 解: 由()100102301010100x x u y x ? -???? ? ?=--+ ? ? ? ?????=可得: (1) 加入状态反馈阵()0 12K k k k =,闭环系统特征多项式为: 32002012()det[()](2)(1)(2322)f I A bK k k k k k k λλλλλ=--=++++-+--+- (2) 根据给定的极点值,得期望特征多项式: *32()(1)(2)(3)6116f λλλλλλλ=+++=+++ (3) 比较()f λ和*()f λ各对应项系数,可得:0124,0,8;k k k === 即:()408K =

6－2 有系统： ()2100111,0x x u y x ? -????=+ ? ?-????= （1） 画出模拟结构图。 （2） 若动态性能不能满足要求，可否任意配置极点？ （3） 若指定极点为－3，－3，求状态反馈阵。 解(1) 模拟结构图如下: ∫ ∫-1 -2 1 u ++y (2) 判断系统的能控性； 0111c U ?? =?? -?? 满秩，系统完全能控，可以任意配置极点。 (3)加入状态反馈阵01(,)K k k =,闭环系统特征多项式为: ()2101()det[()](3)22f I A bK k k k λλλλ=--=+++++ 根据给定的极点值,得期望特征多项式: *2()(3)(3)69f λλλλλ=++=++ 比较()f λ和*()f λ各对应项系数,可解得:011,3k k == 即:[1,3]K =

实验二、 系统解耦控制 一、实验目的 1、 掌握解耦控制的基本原理和实现方法。 2、 学习利用模拟电路实现解耦控制及实验分析。 二、实验仪器 1、 TDN —AC/ACS 型自动控制系统实验箱一台 2、 示波器 3、 万用表 三、实验原理与内容 一般多输入多输出系统的矩阵不是对角阵，每一个输入量将影响所有输出量，而每一个输出量同样受到所有输入量的影响，这种系统称为耦合系统。系统中引入适当的校正环节使传递矩阵对角化，实现某一输出量仅受某一输入量的控制，这种控制方式为解耦控制，其相应的系统称为解耦系统。解耦系统输入量与输出量的维数必相同，传递矩阵为对角阵且非奇异。 1、 串联控制器()c G s 实现解耦。 图2-1用串联控制器实现解耦 耦合系统引入控制器后的闭环传递矩阵为 1 ()[()()()]()()p c p c s I G s G s H s G s G s -Φ=+ 左乘[()()()]p c I G s G s H s +，整理得 1()()()[()()]p c G s G s s I H s s -=Φ-Φ 式中()s Φ为所希望的对角阵，阵中各元素与性能指标要求有关， 在()H s 为对角阵的条件下，1 [()()]I H s s --Φ仍为对角阵， 1 1 ()()()[()()]c p G s G s s I H s s --=Φ-Φ

设计串联控制器()c G s 可使系统解耦。 2、 用前馈补偿器实现解耦。 解耦系统如图2-2， 图2-2 用前馈控制器实现解耦 解耦控制器的作用是对输入进行适当变换实现解耦。解耦系统的闭环传递函数 1()[()]()()p p d s I G s G s G s -Φ=+ 式中()s Φ为所希望的闭环对角阵，经变换得前馈控制器传递矩阵 1()()[()]()d p p G s G s I G s s -=+Φ 3、 实验题目 双输入双输出单位反馈耦合系统结构图如图。 图2-3 系统结构图 设计解耦控制器对原系统进行解耦，使系统的闭环传递矩阵为 10 (1) ()10(51)s s s ????+? ?Φ=? ???+? ? 通过原系统输出量（1,2y y ）与偏差量（1,2e e ）之间的关系

第10章 解耦控制系统 当再同一设备或装置上设置两套以上控制系统时，就要考虑系统间关联的问题。其关联程度可通过计算各通道相对增益大小来判断。如各通道相对增益都接近于1，则说明系统间关联较小；如相对增益于1差距较大，则说明系统间关联较为严重。对于系统间关联比较小的情况，可以采用控制器参数整定，将各系统工作频率拉开的办法，以削弱系统间的关联的影响。如果系统间关联非常严重，就需要考虑解耦的办法来加以解决。解耦的本质是设置一个计算装置，去抵消过程中的关联，以保证各个单回路控制系统能独立地工作。 为了便于分析，下面对2×2系统的关联及其解耦方法进行研究。具有关联影响的2×2系统的方块图如图10—1所示。 从图10—1可看出，控制器c 1的输出p 1（s ）不仅通过传递函数G 11（s ）影响Y 1，而且通过交叉通道传递函数G 21（s ）影响Y 2。同样控制器c 2的输出p 2（s ）不仅通过传递函数G 22（s ）影响Y 2，而且通过交叉通道传递函数G 12（s ）影响Y 1。 上述关系可用下述数学关系式进行表达： Y 1（s ）=G 11（s ）P 1（s ）+G 12（s ）P 2（s ） （10—1） Y 2（s ）=G 21（s ）P 1（s ）+G 22（s ）P 2（s ） （10—2） 将上述关系式以矩阵形式表达则成： ?? ? ?????????=??????)()()() ()()()()(212221121121s P s P s G s G s G s G s Y s Y （10—3） 或者表示成： Y （s ）=G （s ）P （s ） （10—4） 式中 Y （s ）——输出向量； P （s ）——控制向量； G （s ）——对象传递矩阵： ?? ? ? ??=)() ()() ()(22211211s G s G s G s G s G （10—5） 所谓解耦控制，就是设计一个控制系统，使之能够消除系统之间的耦合关系， R 1 ） R 2 图10—1 2×2关联系统方块图

自动控制概述 (2) 自动控制理论部分 (5) 实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (5) 实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (13) 实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (17) 实验四线性系统串联校正 (23) 实验五典型非线性环节的静态特性 (27) 实验六非线性系统相平面法 (32) 实验七非线性系统描述函数法 (38) 实验八极点配置全状态反馈控制 (43) 实验九采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究 (49) 实验十采样控制系统串联校正的混合仿真研究 (53) 自动控制理论软件说明 (57) 第一章概述 (57) 第二章安装指南及系统要求 (61) 第三章功能使用说明 (62) 第四章使用实例 (70) 计算机控制技术部分 (71) 实验一 A/D与D/A 转换 (73) 实验二数字滤波 (77) 实验三 D(s)离散化方法的研究 (79) 实验四数字PID控制算法的研究 (82) 实验五串级控制算法的研究 (85) 实验六解耦控制算法的研究 (89) 实验七最少拍控制算法的研究 (93) 实验八具有纯滞后系统的大林控制 (98) 实验九线性离散系统的全状态反馈控制 (99) 计算机控制软件说明 (109) 第一章概述 (109) 第二章安装指南及系统要求 (114) 第三章 LabVIEW编程及功能介绍 (115)

一．实验系统功能特点 1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。只配备ACCT-I 实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。 2．ACCT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。此外，ACCT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。 3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。 4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。 二．系统构成 实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-I 实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。 1．实验箱ACCT-I简介 ACCT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、元器件单元U2、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U9～U16等共14个单元组成，详见附图。 (1)电源单元U1 包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。 (2)信号、数据处理单元U3 内含以C8051F060为核心组成的数据处理卡（含软件），通过USB口与上位PC进行通讯。内部包含八路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。 (3)元器件单元U2 单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。 (4)非线性环节单元U5、U6和U7

.. . .. . . 综合性设计型实验报告 系别：化工机械系班级：10级自动化（2）班2013—2014学年第一学期

系统的相对增益矩阵为： 0.570.43 0.430.57 ?? Λ=?? ?? 。 由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是正确的；通道间存在较强的相互耦合，应对系统进行解耦分析。 系统的输入、输出结构如下图所示 （2）确定解耦调节器 根据解耦数学公式求解对角矩阵，即 ()() ()()()()()() ()()()() ()()()()?? ? ? ? ? - - - = ? ? ? ? ? ? s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G P P P P P P P P P P P P P P P P 22 11 21 11 22 12 22 11 21 12 22 11 22 21 12 11 1 22 222 128.752.8 3.313.6530.15 1 216.282.8 5.882544055128.752.8 3.3 S S S S S S S S S S ?? ++--- =?? ++++++ ??采用对角矩阵解耦后，系统的结构如下图所示： 解耦前后对象的simulink阶跃仿真框图及结果如下： 1）不存在耦合时的仿真框图和结果

图a 不存在耦合时的仿真框图（上）和结果（下）2）对象耦合Simulink仿真框图和结果

图b 系统耦合Simulink仿真框图（上）和结果（下） 对比图a和图b可知，本系统的耦合影响主要体现在幅值变化和响应速度上，但影响不显著。其实不进行解耦通过闭环控制仍有可能获得要求品质。 3）对角矩阵解耦后的仿真框图和结果

复习 一、填空题 1、如图，埸效应管VT5的作用是零速封锁即在给定为零且反馈为零使调节器输出为零，以防止由于PI中由于积分作用输出不为零，使得移相控制角可能处于最小，出现全压启动导致过电流故障。电位器RP1可调整输出正限幅值，RP2可调整输出负限幅。C11是积分电容，C5和R9接入速度反馈构成微分调节器。C6、C7是输入滤波电容。 2、电流断续时KZ—D系统的机械特性变软，相当于电枢回路的电阻值增大。 3、脉宽调速系统中，开关频率越高，电流脉动越小，转速波动越小，动态开关损耗越大。 4、采用转速—电流双闭环系统能使电动机按允许的最大加速度起动，缩短起动时间。 5、典型I型系统的超调量比典型II型系统小，抗扰动性能比典型II型系统差。 6、下图为单闭环转速控制系统。 (1)图中V是； (2)图中Ld是，它的作用是； (3)图中采用的是调节器，它的主要作用是； (4)此系统主电路由相交流电供电； (5)此系统具有负反馈环节； (6)改变转速，应调节___________电位器； (7)整定额定转速1500转/分，对应8V，应调节___________电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是___________。 解： (1)图中V是晶闸管整流器； (2)图中Ld是平波电抗器，它的作用是抑制电流脉动和保证最小续流电流；

(3)图中采用的是PI 即比例积分调节器，它的主要作用是 保证动静态性能满足系统要求； (4)此系统主电路由 三 相交流电供电； (5)此系统具有 转速（速度） 负反馈环节； (6)改变转速，应调节___RP1__电位器； (7)整定额定转速1500转/分，对应8V ，应调节_RP2_电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是_转速_。 7、下图为异步电动机矢量控制原理结构图，A ，B ，C ，D 分别为坐标变换模块，请指出A 是 矢量旋转逆变换 1 -VR ， B 是二相静止坐标变成三相静止坐标变换， C 是三相静止坐标系变成二相静止坐标变换， D 矢量旋转变换，上述等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。 8、下图为异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型，A ，B 分别为坐标变换模块，请指出A 是三相静止坐标系变成二相静止坐标变换，B 是矢量旋转变换，其等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。 9、采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M 法适用于测高速，T 法适用于测低速。 10、只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。 11、可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。 12、α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段。 13、电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。 14、永磁同步电动机自控变频调速中，需增设位置检测装置保证转子转速与供电频率同步。 15、SVPWM 以圆形旋转磁场为控制目标，而SPWM 以正弦电压为控制目标。 二、选择题 1、关于变压与弱磁配合控制的直流调速系统中，下面说法正确的是（A ）。 A 当电动机转速低于额定转速时，变压调速，属于恒转矩性质调速。 B 当电动机转速高于额定转速时，变压调速，属于恒功率性质调速。 C 当电动机转速高于额定转速时，弱磁调速，属于恒转矩性质调速。 D 当电动机转速低于额定转速时，弱磁调速，属于恒功率性质调速。

自动化控制设计的主要内容及在化工中的应 用 摘要自动化技术是当今举世瞩目的高技术之一，也是中国今后重点发展的一个高科技领域。而我们化工生产则是离不开自动化控制系统，自动化系统大大推动了化工生产的发展。关键词自动化控制系统化工生产 正文 自动化控制系统现在广泛的运用在我们的生活和工业生产中，它的出现以及发展大大促进了科技和社会的发展，在促进产业革命中起着十分重要的作用。特别是在石油、化工、冶金、轻工业等部门由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促进了连续生产过程的发展，大大的提高了劳动生产率，给企业以及社会带来巨大的经济效益和方便。 自动控制系统包括检测、运算和执行三个部分，相当于人的眼、脑和手，换句话说，自动化系统就是代替了人的工作，同时自动化系统的检测、运算以及执行比人要更准确更迅速从而提高了生产效率。这三个部分一般有三个装置：测量原件与变送器、自动控制器和执行器，这三个装置也就是自动化系统三个部分的“工人”。 随着我国经济和社会的快速发展，自动化仪表正在朝着智能化的方向发展，并且已经取得了较大的进步，智能化仪表实现了数字化、小型化、轻量化，但是，发展转变最大的就是实现了信号传递，也就是说化工自动化使用了现场总线技术，这样一来，将传统的模拟量信号转变为具有编码功能的数字量。化工自动化控制技术涉及到很多的现代技术，例如：控制理论技术、仪表技术、计算机技术等，从而对化工生产实现检测、控制、管理等目的，最终增加化工产量、减少消耗、生产高质量的产品的技术。化工自动化控制技术主要有三大系统组成，即化工自动化软件、硬件、应用系统。现如今，化工自动化控制成为制造行业中的最重要的技术，通过此技术可以有效的解决化工生产中出现的问题。现如今，当前我国化工自动化控制发展大部分都是从国外引进先进的设备，在投入使用一段时间后，根据企业的特点进行再次开发与利用。 在化工中，广泛运用化工仪表，而自动化控制在化工仪表起到了什么作用呢？其主要采用先进的微电脑芯片及技术,减小了仪表的体积,并提高了仪表的可靠性及抗干扰性能。实现真正的以逸待劳以及待人的目的。主要作用体现在以下几个方面：

异步电机电流内模解耦控制系统分析与仿真 蒋卫宏 (连云港职业技术学院机电工程学院,连云港222006) 摘要:在同步速d-q坐标系下异步感应电机动态模型和解耦控制原理的基础上引入了内模控制方法,详细设计了基于转子磁链定向和内模控制的定子电流调节器。为了计及实际系统中异步感应电机磁场会随着电机负载(转矩)变化而呈不同程度的饱和以致电机参数的非线性,分析了电流内模控制器对这种非线性参数的鲁棒性,建立了整个异步感应电机矢量控制仿真系统,并分别对忽略磁路饱和和考虑磁路饱和两种情况下的系统进行了仿真分析。结果表明电流内模控制调节器在模型匹配和失配下均能提供良好的转矩动和静态解耦效果。 关键词:矢量变换;解耦控制;磁场定向;电流内模控制 中图分类号:T M341 文献标识码:A 文章编号:1003-8930(2007)05-0079-05 Analysis and Simulation of Decoupled Control System of Asynchronous Motor Using Internal Model Current Control JIANG Wei-hong (Department of Electro mechanic,Liany ungang Technical Co llege, Liany ungang222006,China) Abstract:T he internal model contr ol method is intro duced based on t he dy namic mo del of asynchr o no us mo tor in d-q refer ence fr ame.And the desig n of stat or cur rent co ntr o ller is pr oposed in deta il based on r oto r flux or iented v ector co ntro l.In or der t o take pa rameter nonliner ar ity into account which is caused by lo ad v ariatio n in real system,ro bustness of t he cur rent int ernal model co ntro ller to such nonlinea rit y is ana ly zed, and the vecto r cno nt ro l simulation system is established.Simula tio n result s under flux saturat ion co nsider ed and not co nsider ed show that the cur rent inter nal model co nt ro ller can pr ov ide go od per for mance w ith matched model and unmat ched model. Key words:vecto r t ransfor mation;decoupled co ntro l;field-or ientation;internal model cur rent contr ol 1　前言 交流异步电机是一个多变量、强耦合、非线性、时变系统,其瞬时转矩控制困难,难以获得如同直流电机一样的高动态调速性能。矢量变换控制技术[1,2],无论是转子磁场定向[2]、气隙磁场定向[3]还是定子磁链定向[4]、定子电压定向[5],其基本思想均是通过旋转坐标变换将定子电流分解为相互垂直的直流量励磁(无功)电流i d和转矩(有功)电流i q,且分别对两者进行独立的闭环调节以实现对交流异步电机的解耦控制。 现有的电流控制方法有电流滞环控制、定子坐标系下的PI调节和同步速坐标系下的PI调节控制。其中,同步速坐标系下的电流PI调节控制尤能取得良好的稳态性能,然而该方法由于坐标变换引入的d、q之间的耦合将直接解耦的动态效果,此外d、q轴PI控制器的参数调节传统上通过试验的方法调试得到。对此,文献[6,7]将工业过程控制中的内模控制(internal model contro l,IM C)引入到交流电机的电流控制中,并仅以永磁同步电机为例给出了电流环控制参数设计过程和相应的仿真和实验结果。但是对电流内模控制方法在电机由于负载变化引起的参数非线性条件下其解耦效果和鲁棒性能研究在现有的文献中鲜见分析。 第19卷第5期2007年10月 电力系统及其自动化学报 Pr oceedings o f the CSU-EPSA Vo l.19N o.5 O ct.　2007 收稿日期:2006-11-16;修回日期:2007-03-09

大型火电机组热工自动控制系统 一、自动化 支撑：理论与技术 从技术装置来看发展： 1．三、四十年代基地式仪表 2．五、六十年代单元组合仪表 3 ．七十年代计算机控制 国外，五十年代开始试验计算机控制 （1）DDC控制 （Direct Digital Control直接数字控制） （2）SCC控制 （Supervisory Computer Control监督计算机控制） （3）DCS控制 （Distributed Control Systems分散控制系统） （4）FCS控制 （Fieldbus Control System现场总线控制系统） 理论上看控制发展： 五十年代以前， 理论基础是传递函数（经典控制），以简单控制系统为主。六十年代，以状态空间分析方法为基础，现代控制理论应用。 由于以线性系统为前提，但实际应用效果不好。 第三代控制理论出现

针对机理复杂，精确数学模型难以建立。 理论上看控制发展： 以专家控制系统、神经网络控制和模糊控制为主。 典型应用： MAX Power 1000+ 以专家系统，神经网络进行生产过程设备故障分析和性能分析。 XDPS分散控制系统（新华控制工程公司）加入了模糊控制模块。 OVATION分散控制系统(西屋）提供模糊控制、神经网络算法模块。 二热工自动化 自动检测 顺序控制 自动保护 自动调节 我国机组近年发展： 300MW→600MW亚临界→ 600MW超临界 →1000MW（ 660MW）超超临界 一般 600 MW机组单元机组和公用系统I/O 测点数量一般约8000~9000点；控制设备数量约为 750~ 900 个。（ DCS 系统） 1000MW超超临界机组单元机组和公用系统 I/ 0 测点数量达到 12000 点左右，控制设备数量约为 1100~1400 个，模拟量控制回路数量和600MW机组无明显差别。

杭州电子科技大学信息工程院毕业设计（论文）开题报告 题目多变量解耦预测算法研究 学院信息工程学院 专业自动化 姓名蔡东东 班级08092811 学号08928106 指导教师左燕

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 预测控制是源于工业过程控制的一类新型计算机控制算法。7 0年代后期，它已应用于美法等国的工业过程控制领域中。1978 年，理查勒特( Rchalet )等在文献【l】中首次详细阐述了这类算法产生的动因、机理及其在工业过程中的应用效果，从此，预测控制(P r e d i c t i v eC ont r o l )作为一种新型的计算机控制算法的统一名称,便开始出现在控制领域中。 预测控制算法的研究现状 1 鲁捧性问题 预测控制作为一种复杂系统的控制策略和方法，有着强烈的应用背景，它所具有的强鲁棒性已为大量的系统仿真和工业实践所证实。当对象参数未知时，通常采用参数自适应算法来估计对象参数,根据确定性等价原理，建立间接式的自适应广义预测控制。然而，当被控对象具有未建模动态、参数时变、非线性及有界干扰时，这样建立的自适应算法未必能使广义预测控制的强鲁棒性得到保持。为此，不少学者从不同的立足点出发，开展了提高算法鲁棒性的研究。 由于实际的生产过程大多是复杂的动态过程，精确建模具有特殊的困难，因而，描述对象的数学模型与实际对象特性之间不可避免地存在模型误差。尽管模型误差无法预知，但根据它的历史数据，仍有可能用某些方法对未来时刻的模型失配作出某种预报，由此提高输出预测的精度、改善算法的鲁棒性。文献【3】利用预测误差的历史数据建立误差预测模型，通过误差预测修正输出预测。文献【4】则是将人工智能方法引入预测控制，在对实际运行经验总结的基础上，选择对系统输出有重要影响却难以归并到数学模型中的状态特征作为特征量，由此建立系统状态特征与预测误差之间的定量或定性映射关系，实现对预测误差的智能补偿。 从反馈校正的实施方式出发，针对预测控制单一输出反馈的局限性，文献【5】通过分析过程的中间信息，综合利用模型预测和误差预测，针对工业串联系统提出一种多反馈的预测控制结构，及时地抑制了扰动和模型失配的影响，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性。 此外，鉴于预测控制每一采样时刻只计算实施一个现时控制量，没有充分利用全部预测控制信号的作用，致使现时控制信号发生错误时系统性能将变差。为此，文献【6】采用加权控制律计算现时控制量，对因错误测量信号、暂时未建模动态、系统结构突变、参数估计失误及噪声影响等原因造成的错误控制信号进行有效抑制。 2 非线性系统的预测控制 非线性系统的控制一直是控制理论界的难点.对慢时变、弱非线性系统而言，基于线性动态模型的预测控制算法可取得较好的控制效果。然而，当其应用于强非线性系统时，为确保系统的鲁棒性，往往需要建立高阶线性近似模型或分段线性模型，这无疑会增加算法的复杂性。一个可行的方法是引入简单的、可辨识的非线性数学模型。例如采用Hammerstein模型作为预测模型，可实现对具有幂函数、死区、开关等非线性特性的工业过程的预测控制和采用广义卷积模型描述齐次非线性系统的输入输出关系，由此替代模型算法控制中的脉冲响应模型可获得齐次非线性系统的模型算法控制，进而可推广到更为一般的V ottera非线性系统的控制。

预测控制开题报告 杭州电子科技大学信息工程院毕业设计（论文）开题报告 题目多变量解耦预测算法研究 学院信息工程学院 专业自动化 姓名蔡东东 班级08092811 学号08928106 指导教师左燕 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 预测控制是源于工业过程控制的一类新型计算机控制算法。70 年代后期，它已应用于美法等国的工业过程控制领域中。1978年， 理查勒特(Rchalet)等在文献【l】中首次详细阐述了这类算法产生的动因、机理及其在工业过程中的应用效果，从此，预测控制(PredictiveControl)作为一种新型的计算机控制算法的统一名称, 便开始出现在控制领域中。 预测控制算法的研究现状 1鲁捧性问题 预测控制作为一种复杂系统的控制策略和方法，有着强烈的应 用背景，它所具有的强鲁棒性已为大量的系统仿真和工业实践所证实。当对象参数时，通常采用参数自适应算法来估计对象参数,根据确定 性等价原理，建立间接式的自适应广义预测控制。然而，当被控对象

具有未建模动态、参数时变、非线性及有界干扰时，这样建立的自适应算法未必能使广义预测控制的强鲁棒性得到保持。为此，不少学者从不同的立足点出发，开展了提高算法鲁棒性的研究。 由于实际的生产过程大多是复杂的动态过程，精确建模具有特殊的困难，因而，描述对象的数学模型与实际对象特性之间不可避免地存在模型误差。尽管模型误差无法预知，但根据它的历史数据，仍有可能用某些方法对未来时刻的模型失配作出某种预报，由此提高输出预测的精度、改善算法的鲁棒性。文献【3】利用预测误差的历史数据建立误差预测模型，通过误差预测修正输出预测。文献【4】则是将人工智能方法引入预测控制，在对实际运行经验总结的基础上，选择对系统输出有重要影响却难以归并到数学模型中的状态特征作 为特征量，由此建立系统状态特征与预测误差之间的定量或定性映射关系，实现对预测误差的智能补偿。 从反馈校正的实施方式出发，针对预测控制单一输出反馈的局限性，文献【5】通过分析过程的中间信息，综合利用模型预测和误差预测，针对工业串联系统提出一种多反馈的预测控制结构，及时地抑制了扰动和模型失配的影响，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性。 此外，鉴于预测控制每一采样时刻只计算实施一个现时控制量，没有充分利用全部预测控制信号的作用，致使现时控制信号发生错误时系统性能将变差。为此，文献

综合性设计型实验报告 系别：化工机械系班级：10级自动化（2）班2013—2014学年第一学期

系统的相对增益矩阵为： 0.570.43 0.430.57 ?? Λ=?? ?? 。 由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是正确的；通道间存在较强的相互耦合，应对系统进行解耦分析。 系统的输入、输出结构如下图所示 （2）确定解耦调节器 根据解耦数学公式求解对角矩阵，即 ()() ()()()()()() ()()()() ()()()()?? ? ? ? ? - - - = ? ? ? ? ? ? s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G P P P P P P P P P P P P P P P P 22 11 21 11 22 12 22 11 21 12 22 11 22 21 12 11 1 22 222 128.752.8 3.313.6530.15 1 216.282.8 5.882544055128.752.8 3.3 S S S S S S S S S S ?? ++--- =?? ++++++ ??采用对角矩阵解耦后，系统的结构如下图所示： 解耦前后对象的simulink阶跃仿真框图及结果如下： 1）不存在耦合时的仿真框图和结果

图a 不存在耦合时的仿真框图（上）和结果（下）2）对象耦合Simulink仿真框图和结果

图b 系统耦合Simulink仿真框图（上）和结果（下） 对比图a和图b可知，本系统的耦合影响主要体现在幅值变化和响应速度上，但影响不显著。其实不进行解耦通过闭环控制仍有可能获得要求品质。 3）对角矩阵解耦后的仿真框图和结果

第三章复杂控制系统的仿真研究 3.4 解耦控制系统 3.4.1 系统分析及控制策略 随着工业的发展，生产规模越来越复杂，而且在一个过程中，需要控制的变量以及操作变量常不止一对，一个生产装置要求若干个控制回路来稳定各被控量。一个过程变量的变化必然会波及到其它过程变量的变化，这种现象称之为耦合。严重耦合的系统对于工程实际很不利，直接影响控制质量甚至导致系统无法运行。例如，对于一个精馏塔而言，其顶部产品成分和流量、回流、送料量、上下塔板温度等，都是一些彼此有关的量，那么在这种情况下，对某一个参数的控制不可避免地要考虑另一些有关联的参数或操作变量的影响，因此这些单个参数的控制系统之间就必定有通道互相交错，就涉及到多变量控制的问题，必须进行解耦控制。常规解耦方法有前馈补偿法、对角矩阵法和单位矩阵法[2]。 1、前馈补偿法 前馈补偿是自动控制里最早出现的一种克服干扰的方法，它同样适用于解耦控制系统，方框图如图3-12。 图3-12 前馈解耦控制方框图 其中D21和D12是补偿器，利用补偿器原理： K21g21(s) + D21K22g22(s) = 0 K12g12(s) + D12K11g11(s) = 0 - 33 -

第三章 复杂控制系统的仿真研究 - 34 - 解得补偿器的数学模型为： )()(2222212121s g K s g K D -= )()(1111121221s g K s g K D -= （3-9） 采用前馈解耦，解耦器形控制器环节比较简单。 2、对角矩阵法 对角矩阵法与单位矩阵法类似，不同之处在于其使系统传递函数矩阵成 为如下形式：?????????????=??????)()()(0 0)()()(21221121s M s M s G s G s Y s Y c c 同样可以求得解耦器为： ?????????????=??????-)(00)()()()()()()()()(221112221121122211211s G s G s G s G s G s G s D s D s D s D （3-10） 加入解耦器后，各回路保持前向通道特性，互相不再关联影响。于是针对单回路整定好的控制器可以不加变化地使用。但其缺点与单位矩阵法相似，即对于复杂对象往往无法实现。 3、单位矩阵法 单位矩阵法和对角矩阵法的原理相似，它们的方框图如图3-13所示。 单位矩阵法求解解耦器的数学模型将使系统传递矩阵成为： ?? ??????????=??????)()(1001)()(2121s M s M s Y s Y c c ，即： ????? ?=?????????????1001)()()()()()()()(2221121122211211s D s D s D s D s G s G s G s G 则解耦器为12221121122211211)()()()()()()()(-??????=??????s G s G s G s G s D s D s D s D （3-11）

多变量解耦控制 在现代化工业生产中，对过程控制的要求越来越高，因此，对一个生产装置中往往设置多个控制回路，稳定各个被控参数。此时，各个控制回路之间会发生相互耦合，相互影响，这种耦合构成了多输入-多输出耦合系统。由于这种耦合，使得系统的性能很差，过程长久不能平稳下来。例如发电厂的锅炉液位和蒸汽压力两个参数之间存在耦合关系。锅炉系统的示意图如图所示。 发电锅炉中，液位系统的液位是被控量，给水量是控制变量，蒸汽压力系统的蒸汽压力是被控量，燃料是控制变量。这两个系统之间存在着耦合关系。例如，蒸汽负荷加大，会使液位下降，给水量增加，而压力下降；又如压力上升时，燃料量减少，会使锅炉蒸汽蒸发量减少，液位升高，如此等等，各个参量之间存在着关联或耦合，相互影响。 实际装置中，系统之间的耦合，通常可以通过3条途径予以解决： （1） 在设计控制方案时，设法避免和减少系统之间有害的耦合； （2） 选择合适的调节器参数，使各个控制系统的频率拉开，以减少耦合； （3） 设计解耦控制系统，使各个控制系统相互独立（或称自治）。 8.4.1 解耦控制原理 工业生产中可以找出许多耦合系统。下面以精馏塔两端组分得到耦合，说明解耦控制原理。精馏塔组分控制如图8.65所示。 图中 q ),(t r q s (t)分别是塔顶回流量和塔底蒸汽流量； y 1(t),y 2(t)分别是塔顶组分和塔地组分。 显然，在精馏塔系统中，塔顶回流量q ),(t r 塔底蒸汽流量q s (t)对塔顶组分y 1(t)和塔底组分y 2(t)都有影响，因此，两个组分控制系统之间存在耦合，这种耦合关系，可表示成图 8.66所示。 图中R 1(s),R 2(s)分别为两个组分系统的给定值； Y 1(s) Y 2(s)分别为两个组分系统的被控量 D 1(s) D 2(s)分别为两个组分系统调节器的传递函数； g 2(s)是对象F(s)的传递矩阵，其中G 11(s)是调节器D 1(s)对Y 1(s)的作用通道。G 21(s)是调节器D 1(s)对Y 2(s)的作用通道。G 22(s)是调节器D 2(s)对Y 2(s)的作用通道。G 12(s)是调节器D 2(s)对的Y 1(s)作用通道。 由此可见，两个组分系统的耦合关系，实际上是通过对象特性G 21(s), G 12(s)相互影响的。为了解决两个组分之间的耦合，需要设计一个解耦装置F(s)。如图所示。F(s)实际上由F 11(s), F 12(s), F 21(s), F 22(s)构成。使得调节器D 1 (s)的输出U 1(s)除了主要影响Y 1(s)外，

第3章解耦控制系统 3.1 多变量解耦控制系统概述 3.2 解耦控制理论 3.3 解耦控制方法与设计 3.3.1解耦控制系统分类及解耦方法 3.3.2解耦控制方案 3.3.3解耦控制中的问题 3.4 解耦控制算法 3.5 几种先进解耦控制理论的介绍 3.1 多变量解耦控制系统概述 工业生产过程中的被控对象往往是多输入多输出系统（MIMO），如冶金工业中的钢坯加热炉的多段炉温，轧机中的厚度与板型；电力工业中发电机组的蒸汽压力与温度；石化工业中的精馏塔顶部产品流量和成分、底部产品流量和成分；国防工业中的飞行控制、风动稳定段总压和试验段马赫数等，都是需要控制而又是彼此关联的量。多变量系统的控制就是调整被控系统的多个输入作用使系统输出达到某些指定的目标。 在实际的工业过程中，常常遇到的多变量系统具有不确定性，也就是系统的某些参数位置或时变或受到未知的随机干扰。因此，现代工业过程本身就是是一个复杂的变化过程，在现代化的工业生产中，为了达到指定的生产要求，不断出现一些较复杂的设备或装置。然而，这些设备或装置的本身所要求的被控制参数往往较多，相应的，决定和影响这些参数的原因也不止一个。随着生产规模的不断扩大化，对控制的要求也越来越高。而且，在一个生产过程中，要求控制的变量以及操作往往不止一对，需要设置的控制回路也不止一个。因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响、相互干扰的作用。因此大多数工业过程控制是一个相互关联的多输入多输出过程。在这样的过程中，一个输入将影响到多个输出，而一个输出也将受到多个输入的影响。也即系统中一些控制回路的输入信号对其它回路的输出都有影响，而一些回路的输出又会受到其它输入的作用。如果将一对输入输出称为一个控制通道，则在各通道之间存在相互作用，我们把这种输入与输出间、通道与通道间复杂的相互影响与相互作用的因果关系称为过程变量或通道间的耦合。由此看来，要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。为了获得满意的控制效果，必须对多变量系统实现解耦控制。 解耦控制是多变量系统控制的有效手段。对于确定的的线性多变量系统可以采取对角矩阵法、状态变量法、相对增益分析法、特征曲线分析法等进行解耦控制，也就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是对角矩阵，从而把一个有耦合影响的多变量系统，化成多个无耦合的单变量系统。 多变量系统的解耦控制问题，早在30年代末就已提出，但直到1969年才由E.G.吉尔伯特比较深入和系统地加以解决。随后，现代控制理论进入迅猛发展阶段，为解耦控制的发展提供了极为强有力的理论支撑。于是，各种解耦理论如雨后春笋般涌现出来，自20世纪至今最为著名的有三大解耦理论，分别是：基于Morgan问题的解耦控制，基于特征结构配置的解耦控制和基于H_∞的解耦控制理论。 在过去的几十年中，有两大系列的解耦方法占据了主导地位。其一是围绕Morgan问题的一系列状态空间方法，这种方法属于全解耦方法。这种基于精确对消的解耦方法，遇到被控对象的任何一点摄动，都会导致解耦性的破坏，这是上述方法的主要缺陷。其二是以罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)为代表的现代频域法，其设计目标是被控对象的对角优势化而非对角化，从而可以在很大程度上避免全解耦方法的缺陷，这是一种近似解耦方法。 目前国外研究多变量解耦系统的方法主要有两种：一是利用状态空间的反馈方法来实现解耦；而是利用现代频率法的所谓对角线优势，籍助于逆奈奎斯特判据来设计解耦控制系统。