关于解耦控制的研究和发展现状.doc

关于解耦控制的研究和发展现状1 引 言多变量系统设计思想在控制学科发展初期就已经形成，在Boksenhom和Hood的报告和钱学森的著作中就已得到了基本研究；在现代控制理论的框架内这个问题由Morgan在1964年正式提出。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、多干扰性、非线性、滞后和非最小相位特性等，使得工程对耦合控制系统的设计要求越来越高，设计难度越来越大。解耦问题成为学术与工程上一大难题，所以一直以来理论与工程界将其作为一个热点问题。2 工程背景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。3 解耦控制系统 如上图所示，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种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。3.1 解耦控制系统的特点1. 解耦控制系统一般都是多输入多输出系统，而且输入和输出之间的关系是复杂的耦合，一个输入量影响多个输出量，一个输出量受多个输入量的影响。2. 实际被控对象不同，输入、输出之间的关系也不同。被控对象的某个输出和某个输出具有明显的“一一对应”的“依赖”性，而其他输出和输出的相互关系则很弱，可以忽略。此时的多输入多输出关系，可以简化为多个单输入单输出的单回路控制系统，而把其他的影响因素看成干扰。3. 当多输入多输出系统中输入输出相互耦合较强时，系统不能简单地简化为多个单回路控制系统，此时应采取相应的解耦措施，之后再对系统采取适当的控制措施。4. 多输入多输出系统中，输入和输出的耦合程度可用相对增益描述。3.2 解耦系统相对增益的确定方法相对增益的确定方法主要有实验法、解析法和间接法。（1）实验法所谓实验法即是按定义求取相对增益的方法，该方法的求解完全依据定义进行。利用实验法求第一放大系数比较易于实现。求第二放大系数时，要保持某个输出变化，其他输出不变，在大多数实际系统中不可行。因此，实验法在实际使用中有较大困难，甚至在实际的过程对象中难以进行。（2）解析法解析法是基于被控过程的工作原理，通过对输入、输出数学关系的变换和推导，求得相对增益的方法。（3）间接法上述实验法在实际使用中受到限制，难于实际应用。解析法由于计算量较大，在使用中，显得较为烦琐，而间接法是通过相对增益与第一放大系数的关系，利用第一放大系数求得相对增益的方法，相对较为实用。3.3 解耦控制系统的分类以及解耦方法1.由相对增益和系统耦合关系可以将系统分为4类 第一类，相对增益均为0（或1）通道间无耦合，可以根据相对增益显示的输入输出配对实现系统无耦合控制；第二类，相对增益数值均接近1（或0），通道间存在弱耦合，系统可近似按无耦合处理，要求较高时刻采取抗干扰措施实现良好解耦；第三类，相对增益大于（小于0），系统间存在正反馈，应对系统采取适当得整定措施消除正反馈；第四类，相对增益在0.5附近，系统通道间存在强耦合，应采取解耦措施。2系统解耦方法 针对以上情况，对系统解耦有三个乘此的方法：（1） 根据相对增益中矩阵中数值大小忽略次要被控参数，突出主要被控参数，将过程简化为单回路控制过程。只适用于简单过程或控制要求不高的场合。（2） 根据相对增益矩阵的数据特征，寻求输入、输出间的最佳匹配，选择因果关系最强的输入、输出，逐对构成各个控制通道，弱化个控制通道之间的耦合。只有在存在弱耦合的情况下，才能找到合理的输入、输出间的组合。（3） 设计一补偿器D（s）,与原过程传递函数矩阵G(s)构成的广义控制过程成为对角线矩阵。实现系统解耦控制。经常采用的解耦控制方法有：前馈解耦控制、反馈解耦方法、对角矩阵解耦方法和单位矩阵解耦方法。 其中，对角矩阵法和单位矩阵法设计的结果十分理想，因为它能使广义过程实现完全的无时延的跟踪，但在实现上却很困难，它不但需要过程的精确建模，且补偿器结构复杂。 另外，解耦分为静态解耦和动态解耦两种方式： 所谓静态解耦只要求过程变量达到稳态时间通道间解耦，分析中传递函数用相应的静态放大系数代替即可。 所谓动态解耦是指不论在过渡过程还是在稳态过程中，通道间都要解耦。3.4 解耦控制系统设计的必要性 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便设计方法。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,也就是闭路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。4 解耦控制的现状与发展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MIMO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( INA)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。但解耦设计方法中补偿阵严重依赖于被控对象精确的数学模型,而被控过程通常是时变和非线性的,因此一个线性的、定常的解耦补偿网络在被控过程发生工作点变化时,由于不具有适应性,很难保证控制品质,甚至导致系统不稳定。此外,由于被控过程往往具有纯延迟和单位圆外的零点,因此完全解耦补偿阵存在着可实现的问题。在工程中,完全解耦长期被弃置不用,代之以解耦系统的简化,从而产生部分解耦、单向解耦的方法。这实际上是以牺牲系统的动态性能来保证系统稳态的解耦性能。由于静态解耦同样涉及到静态增益匹配、调整的问题,也同样涉及到增益的适应性问题,因此系统的鲁棒性也难以保证。2) 自适应解耦控制方法对于MIMO不确定性问题,多变量自适应解耦控制的研究为这问题的解决提出了可行性方法。多变量自适应解耦控制方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。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。自适应解耦虽在一些领域获得了成功的应用,但是要使这项技术得到广泛应用,还需开展多变量自适应解耦控制技术与实际工业过程结合的应用研究。因为自适应解耦虽在一定程度上解决了系统不确定性问题,但是其本质要求在线辨识对象模型,所以算法复杂,计算量大,且它程动态建模和扰动的适应能力差,系统的鲁棒性问题尚有待进一步解决,而且实际工业过程的动态特性往往比所建模型复杂得多,因此其应用范围受到了一定限制。如何设计一个具有强鲁棒性的多变量自适应解耦控制系统是当前十分重要的理论课题;在自适应情况下实现动态解耦的各种算法,也是有待进一步深入研究、发展和完善的理论课题3) 鲁棒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。Arkun 首先给出了鲁棒对角优势的定义。文献 6 深入研究了鲁棒对角优势保证鲁棒稳定的结论。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。5 结束语 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。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MIMO 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。