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        基于部分耦合模型的干擾抑制分散控制器設(shè)計(jì)

        2022-12-23 05:15:20杜星瀚
        機(jī)電信息 2022年24期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)模對(duì)角耦合

        蔡 鋈 沈 鵬 杜星瀚

        (1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511483;2.江蘇師范大學(xué),江蘇 徐州 221116)

        0 引言

        干擾廣泛存在于過(guò)程工業(yè)并會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法完成期望的控制目標(biāo),產(chǎn)品質(zhì)量下降[1]。不同于簡(jiǎn)單的單變量系統(tǒng),大部分的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)都具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出,回路間存在著復(fù)雜的耦合作用,并且由于物料、能量和信號(hào)的傳輸不可避免地存在延時(shí),這類系統(tǒng)普遍含有時(shí)滯,這些特性都對(duì)控制系統(tǒng)的干擾抑制造成了阻礙[2]。

        目前,時(shí)滯多變量系統(tǒng)的控制方法按照對(duì)耦合的不同處理大致可分為分散控制、(完全)解耦控制和部分解耦控制。其中,分散控制具有對(duì)角型控制器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),但并未對(duì)耦合進(jìn)行任何處理;解耦和部分解耦控制則是通過(guò)引入額外的解耦器或設(shè)計(jì)具有解耦功能的集中控制器,對(duì)回路間的耦合進(jìn)行去除或部分保留,這類方法相對(duì)復(fù)雜,且大多以改善系統(tǒng)的跟蹤性能為目標(biāo)。鑒于此,在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的分散控制目前仍被廣泛應(yīng)用,并且很多先進(jìn)控制策略的底層實(shí)現(xiàn)也仍依賴于這種傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

        為了在不改變控制系統(tǒng)原有硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的干擾抑制能力,本文針對(duì)時(shí)滯多變量系統(tǒng),提出了一種基于部分耦合模型的干擾抑制分散控制器設(shè)計(jì)方法。通過(guò)有選擇地將部分耦合動(dòng)態(tài)包含在被控對(duì)象模型中,實(shí)現(xiàn)了在不增加控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度的情況下改善系統(tǒng)抗擾性能的目的,為提高實(shí)際過(guò)程工業(yè)的生產(chǎn)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗提供了新的思路,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 干擾分析指標(biāo)

        1.1 內(nèi)??刂平Y(jié)構(gòu)

        傳統(tǒng)反饋控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),目前仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。圖1為傳統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖中Gp(s)為被控對(duì)象;C(s)為反饋控制器;L(s)為干擾向量;r、u、y、d、d0分別為設(shè)定值、操縱變量、系統(tǒng)輸出、干擾和歸一化干擾。

        圖1 傳統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        在此控制框架下很難直接分析耦合與系統(tǒng)干擾抑制性能之間的關(guān)系,為此,本文借助內(nèi)模控制框架來(lái)展開(kāi)分析,如圖2所示[3],圖中Gm(s)和CIMC(s)分別為內(nèi)??刂频膬?nèi)部模型和控制器。

        圖2 等效的內(nèi)模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        通過(guò)分析虛線框中的輸入、輸出關(guān)系,不難得出內(nèi)??刂破髋c反饋控制器之間的等價(jià)關(guān)系,如式(1)(2)所示。在之后的推導(dǎo)中,為簡(jiǎn)化表達(dá),將在不引起歧義的情況下省略拉普拉斯算子“(s)”。

        式中:I為具有相應(yīng)維度的單位矩陣。

        1.2 廣義相對(duì)干擾增益

        根據(jù)圖2,干擾單獨(dú)作用時(shí)的系統(tǒng)輸出響應(yīng)為:

        其中,(I-GmCIMC)項(xiàng)被視為積分作用,在討論干擾對(duì)輸出的影響時(shí)暫時(shí)將其忽略。

        考慮到不同的模型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著對(duì)耦合的不同處理,可以根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)展開(kāi)分析。在完美內(nèi)??刂破鳎–IMC=Gm-1)下,討論以下兩種情況:

        (1)有相互作用,即Gm≠Gp時(shí),根據(jù)式(3),干擾對(duì)輸出的影響(L*)可表示為:

        (2)無(wú)相互作用,即Gm=Gp時(shí),代入式(4)可得:

        基于式(4)(5),廣義相對(duì)干擾增益(Generalized Relative Disturbance Gain,GRDG)被定義為:“存在耦合時(shí)干擾對(duì)輸出的影響”與“完全解耦時(shí)干擾對(duì)輸出的影響”之比[4],其具體表達(dá)式如式(6)所示。

        式中:βi為GRDG的第i個(gè)元素;n為GRDG的維數(shù);符號(hào)⊙表示向量的對(duì)應(yīng)元素相除。

        根據(jù)上述定義,GRDG反映了不同耦合情況下,干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響程度。因此,GRDG指標(biāo)值可被用于分析不同耦合情況(或不同Gm結(jié)構(gòu))下系統(tǒng)的干擾抑制性能。

        (1)若|βi|>1,說(shuō)明回路i在不受其他回路影響時(shí)能獲得更好的干擾抑制效果,即此時(shí)應(yīng)對(duì)回路i進(jìn)行解耦;

        (2)若|βi|<1,則說(shuō)明存在耦合時(shí)的干擾抑制效果更好,此時(shí)應(yīng)保留耦合。

        以一個(gè)四室暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)為例,如式(7)所示,運(yùn)用上述GRDG指標(biāo)進(jìn)行分析。

        假設(shè)該系統(tǒng)受到的干擾為D=[-1 0.5 0.6 0.8]T,d0=1/s。基于式(6),可求得不同模型結(jié)構(gòu)下的GRDG指標(biāo)值,如表1所示。

        表1 不同HVAC模型(Gm)結(jié)構(gòu)下的GRDG指標(biāo)值

        顯然,部分耦合的Gm取得了最小的GRDG指標(biāo)值,這也就意味著此時(shí)的控制系統(tǒng)獲得了更優(yōu)的干擾抑制性能。

        2 部分耦合模型

        從干擾抑制的角度出發(fā),根據(jù)表1的結(jié)果,應(yīng)選取含有部分耦合的被控對(duì)象模型結(jié)構(gòu)為:

        式中:gij(i,j=1,2,3,4)為過(guò)程模型Gm第i行第j列的元素。

        觀察式(8)可知,此時(shí)的Gpc具有對(duì)角型和滿元素型之間的一般化結(jié)構(gòu),直接對(duì)其進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。為此,這里基于有效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),對(duì)上述部分耦合模型進(jìn)行對(duì)角近似,而后即可基于此近似的對(duì)角模型來(lái)直接設(shè)計(jì)分散控制器。

        2.1 有效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

        有效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)(Effective Open-loop Transfer Function,EOTF)被定義為:反饋控制框架下(圖1),本回路開(kāi)環(huán)而其他回路閉合時(shí),本回路輸入/輸出間的等效傳遞函數(shù)[5]。將式(8)的Gpc作為新的被控對(duì)象,替換圖1中的Gp,推導(dǎo)此時(shí)各回路的EOTF。根據(jù)輸入/輸出關(guān)系,有:

        式中:gii為回路i的主通道模型;Gpc,-ii為Gpc去掉第i行和第i列后得到的矩陣;Gpc,*i和Gpc,i*分別為Gpc的第i列和第i行去掉gii后得到的列向量和行向量;yi和ui分別為回路i的輸出和輸入;y-i和u-i分別為y和u去掉第i個(gè)元素后得到的向量。

        經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算,得到回路i的有效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

        結(jié)合式(8)(10),可求得各回路的EOTF如式(11)所示。

        2.2 模型近似

        上述得到的EOTF模型通常較為復(fù)雜,難以直接用于控制器設(shè)計(jì),為此,這里采用麥克勞林(Maclaurin)展開(kāi)式來(lái)進(jìn)行模型近似和化簡(jiǎn),具體步驟如下:

        步驟一,對(duì)式(11)中的EOTF進(jìn)行Maclaurin展開(kāi),系數(shù)aii、bii和cii分別為:

        步驟二,若將其近似為一階加時(shí)滯(FOPTD)模型,則同樣對(duì)此FOPTD模型進(jìn)行Maclaurin展開(kāi),得到:

        步驟三,令式(12)和(13)中關(guān)于“s”的各項(xiàng)系數(shù)分別相等,最終可得:

        基于上述方法對(duì)式(11)中的EOTF模型進(jìn)行近似,最終得到含有部分耦合的對(duì)角近似模型為:

        3 分散控制器設(shè)計(jì)

        在將部分耦合模型近似為對(duì)角模型后,就可采用單變量系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的一系列方法來(lái)分別設(shè)計(jì)各回路的控制器。

        考慮到內(nèi)??刂破髟O(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、參數(shù)少且易于轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)反饋控制器的特點(diǎn),此處先通過(guò)兩步設(shè)計(jì)法得到內(nèi)??刂破鳎蠡诘刃шP(guān)系得到最終的分散控制器。

        依照內(nèi)??刂破髟O(shè)計(jì)的兩步法,首先,將回路i的主通道模型進(jìn)行分解。需要注意的是,這里的主通道模型為2.2節(jié)中得到的近似對(duì)角模型中的元素,如式(16)所示。

        而后,回路i的內(nèi)模控制器可設(shè)計(jì)為:

        式中:fi(s)為低通濾波器,保證了控制器可實(shí)現(xiàn);ni為濾波器的階次;λi為濾波器常數(shù),是唯一待整定的參數(shù)。

        最后,將式(17)代入式(2),即可得到回路i的等效反饋控制器,為:

        為便于工業(yè)實(shí)現(xiàn),還可將式(18)的控制器轉(zhuǎn)化為PID形式,在此不多做說(shuō)明。

        延續(xù)先前對(duì)HVAC系統(tǒng)的分析,將本文方法與分散控制[6]和反向解耦控制[7]方法進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果如圖3和表2所示(λi=45;i=1,2,3,4)。很顯然,所提方法不論是在干擾響應(yīng)幅值、穩(wěn)定時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能方面,還是在誤差積分(IAE)、TV指標(biāo)方面,都取得了比另兩種方法更好的效果。

        圖3 HVAC過(guò)程的干擾輸出響應(yīng)

        表2 HVAC干擾響應(yīng)的性能指標(biāo)

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)時(shí)滯多變量系統(tǒng)的干擾抑制問(wèn)題,提出了一種基于部分耦合模型的干擾抑制分散控制器設(shè)計(jì)方法。通過(guò)耦合分析,從干擾抑制的角度出發(fā),構(gòu)建了包含部分耦合動(dòng)態(tài)的被控對(duì)象模型,而后對(duì)該模型進(jìn)行對(duì)角近似,在不影響系統(tǒng)性能的情況下極大地簡(jiǎn)化了分散控制器的設(shè)計(jì)。最后,將本文方法與其他兩種方法進(jìn)行仿真對(duì)比,仿真結(jié)果證實(shí)了所提方法的優(yōu)越性。

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