多变量系统基于有限维建模方法的解耦与控制

Multiple-input-multiple-output processes with multiple time-delays widely exist in industrial control systems. Therefore, how to design the advanced control strategies, which meet the urgently requirements of the efficient and easy controlling of complex processes, is one of the key problems in the development of the modern process control technologies. In this research effort, a finite-dimensional modeling method, which is based on the model reduction and balanced realization theories and approaches, will be developed by utilizing the persistent/non-persistent exciting and responding signals for the multivariable processes with both state and input/output time delays. The obtained approximated model, which is in the time/frequency domain or continuous-time/discrete-time domain by utilizing the afore-mentioned modeling method, would include the transmission characteristics of the kinetics and contain only input/output time delays. Also, a minimal realization technique will be established by generalizing the traditional Gilbert minimal realization method from delay-free systems to multiple time-delay systems. Then, based on the extended adjoint decoupling controller design method, a synthetic algorithm for realizable digital decoupling controller design for multivariable processes with multiple time delays will be proposed. Furthermore, the dynamic model tracking performance as well as its robust performance analysis would be obtained by utilizing the estimated virtual states of the multivariable processes with multiple time delays and the sliding mode control theories. The proposal is a fundamental research with strong application background, and it will promote the further enhancements for modeling, advanced controlling and optimally operating of the industrial control processes.

工业控制系统中普遍存在着含有时滞的多输入多输出过程，如何设计先进的控制策略以满足生产实践中对复杂过程进行高效、简便调控的迫切需求，是现代过程控制技术的关键问题之一。本项目针对具有状态和输入输出时滞的多变量时滞过程，利用持续/非持续激励响应信号，基于模型简化思想和平衡截断理论，提出多变量时滞过程的有限维建模方法，建立既能反映过程传递特性，又仅含输入输出时滞的频域/时域和连续/离散模型，并运用Gilbert最小实现方法，研究时滞系统的最小状态空间实现问题；利用伴随解耦设计思想，研究多变量时滞过程的数字解耦方法，提出正则可实现的数字伴随解耦控制器综合算法。以解耦系统为基础，利用虚拟状态估计和滑模控制理论，研究解耦系统的动态模型跟踪性能和性能鲁棒性，实现对多变量时滞过程的解耦和优化控制。本项目属于应用基础研究，对提高我国工业过程的建模、先进控制和优化操作水平，具有重要意义，其应用前景广阔。

本项目针对具有状态和输入输出时滞的多变量时滞过程，研究其有限维建模方法、输入输出解耦方法以及模型跟踪控制方法。经过4年的研究工作，基本完成了预订的研究内容和研究目标。①利用持续/非持续激励响应信号，基于模型简化思想和平衡截断理论，研究了多变量时滞过程的有限维建模方法，建立了既能反映过程传递特性，又仅含输入输出时滞的频域/时域和连续/离散模型，并运用Gilbert最小实现方法，得到了该类时滞系统的最小状态空间实现，所取得的研究结果为工业过程控制领域中普遍存在的一大类时滞过程建模提供了一种简便和有效的方法；②利用伴随解耦设计思想，研究了多变量时滞过程的数字解耦方法，提出了增广型的伴随解耦方式，利用有限维建模得到的离散系统模型，给出了数字伴随解耦控制器的综合算法，为工业时滞过程的解耦提供了一种新的参考方法。③以得到的解耦系统为基础，设计了系统状态估计器和滑模控制算法，研究了解耦系统的动态模型跟踪性能，实现了对多变量时滞过程的解耦和模型跟踪控制。本项目属于应用基础研究，对提高我国工业过程的建模、先进控制和优化操作水平，具有重要意义，其应用前景广阔。