工业过程控制非线性控制方法的研究

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1、工业过程控制非线性控制方法的研究摘要严格地讲，几乎所有的工业过程控制系统都是非线性系统。在控制领域发展的现阶段，由于其他相关学科的发展，也随着工业过程日益走向大型化、连续化、复杂化、很多系统极其复杂，具有高度的非线性、强耦合性、不确定性，信息不完全性和大时滞等特性，并存在苛刻的约束条件，使常规控制方法无法得到满意的控制效果。尤其是多输入多输出系统，由于内部结构复杂，往往存在有一定程度的耦合作用，一个输入信号的变化可能会使多个输出量发生变化，每个输出量也不仅仅受一个输入信号的影响。因此，针对这些问题进行非线性控制方法研究是非常紧迫的且很有意义。非线性系统微分几何方法

2、是微分几何在非线性系统控制理论中的一个应用。从70年代初期，Brockett，Sussmann以及Krene等入作了许多开创性的和奠基性的工作，几何方法经历了80年代的繁荣时期，在对非线性系统特性的研究上得到了许多有意义的成果。精确线性化方法是非线性系统微分几何方法中非常重要的一个组成部分，它的主要思想是：对满足一定条件的仿射非线性系统，通过构造非线性局部或全局同胚变化，使得系统方程在流形上的局部或全局范围内的特定的坐标系下能表示为线性形式，这种方法相对于一点近似线性化最大特点是不会引入系统误差，线性化前后的系统是拓扑等价的。它主要是把非线性系统在局部或全局范围内

3、转化为具有可控标准形的线性系统。对于不满足可精确线性化为可控标准形条件的系统，一般地做法是，通过同胚变换和非线性状态反馈将系统分解为两部分，其中一部分变化为具有可控标准形的线性化形式，另一部分依然为非线性形式。本文针对工业过程控制中普遍存在的非线性现象，提出把微分几何理论中的精确线性化方法应用于工业过程控制中，使工业过程控制中的非线性系统完全精确线性化解耦或部分精确线性化解耦，再结合其他的传统控制方法和现代控制方法，使被控系统能够达到比较理想的控制效果，其原理就是在保证非线性部分状态解稳定的前提下，对系统的具有能控标准形的线性部分进行控制达到预期的控制目的。论文的

4、主要内容如下：首先，针对工业过程控制中的单输入单输出系统和多输入多输出系统，给出精确线性化的充分必要条件和局部坐标变换，并给出精确线性化的具体步骤，同时对实际系统模型三级倒立摆系统和火电机组的锅炉一一汽机系统进行状态反馈精确线性化解耦。其次，利用微分几何理论精确线性化方法对三级倒立摆非线性模型进行部分反馈线性化，得到的模型比直接在平衡点处线性化的模型，更接近原系统模型，并对模型进行了稳定性、可控性以及能、观测性分析，再结合PD控制方法和LQR控制方法分别对部分反馈线性化后的模型进行跟踪控制和抗干扰控制仿真及分析。仿真结果及分析表明，PD控制比LQR控制可以达到更好

5、的控制效果，PD控制不仅可以较好的改善系统的稳定性，而且在抗干扰能力上也优于LQR控制，可以达到三级倒立摆的控制设计要求。’再次，利用微分几何理论精确线性化方法对火电机组的锅炉一一汽机系统进行完全精确线性化，使系统转变成三个解耦的单输入单输出系统，对得到的反馈线性化后的模型，结合PI、单神经元自适应PID和免疫单神经元自适应PID控制方法。通过不同负荷下的仿真比较，得出了各控制器对火电机组的动态解耦能力，鲁棒性，自适应能力以及快速稳定跟踪能力的优点与缺点。最后，对本论文的工作做一个总结，提出仍然存在的问题与不足及今后工作努力与改进的方向。关键词：仿射非线性系统，微

6、分几何理论，精确线性化，相对阶，三级倒立摆，火电机组nARESEARCHOFNoNLINEARCoNTRoLMETHODININDUSTRIALPROCESSCoNTROLABSTRACTStrictlyspeaking，almostalltheindustrialprocesscontrolsystemsarenonlinearsystems．Inthecurrentstageofdevelopmentofthefieldofcontrol，asthedevelopmentofotherrelateddisciplines，withtheindustrialpr

7、ocessiSmovingmoreandmoretowardlarge，continuous，complex，manyofthemostcomplicated，andwithahighdegreeofnonlinearity，strongcoupling，uncertainty，incompleteinformationandthetime．delaycharacteristics，andthereisboundbyharshconditions，toconventionalcontrolmethodscannotbesatisfiedwiththecontrol

8、resul