多变量时变时延系统DMC算法及应用研究

【摘要】：时延在工业过程、机械传动和流体输送等工业系统中广泛存在，同时由于系统自身结构的差异和外部环境的干扰，系统时延呈现出随机、有界、时变和不确定等特点，这对多变量控制系统的设计和分析造成了很大的困难。 动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)是一种典型的增量式预测控制算法，具有结构简单、性能良好和应用灵活等特点，已在工业过程控制中得到了广泛应用。本文针对一类多变量时变时延系统，研究动态矩阵控制算法及其在网络化系统和倒立摆装置中的应用。主要的工作和成果归结如下： 首先，研究了一类多变量时变时延系统DMC算法的设计和分析问题。考虑系统的时变时延特性，将其转化为固定上界时延系统。基于多输入多输出的状态空间模型，通过滚动优化含有时延信息的性能指标函数，得到时变时延系统DMC控制器。再利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法，建立DMC控制器闭环稳定的充分条件。进一步，考虑预测模型和系统模型存在失配的情况，研究DMC算法的鲁棒性设计和分析问题，得到其鲁棒稳定的充分条件。 其次，研究了上述DMC算法在网络化系统中的应用。考虑一类前向通道和反馈通道均存在有界时变时延的网络化系统，将其建模为多变量时变时延系统，进而设计其DMC算法。以双容水槽液位网络化控制为例，仿真验证算法的有效性。结果表明：多变量时变时延DMC算法对网络时延具有较好的补偿作用和一定的鲁棒稳定性。 最后，研究并实现了上述DMC算法对倒立摆的控制。考虑直线倒立摆系统，采用牛顿-欧拉法和线性化法建立其状态空间模型。设计当系统中存在时变时延的情况下DMC算法，并结合倒立摆控制系统实验平台，将所得的DMC算法编译成控制器代码。通过一系列控制实验的结果对比，验证了本算法的有效性和可行性。