專利名稱：定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法，針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，以最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論為基礎(chǔ)，可以定量整定系統(tǒng)魯棒性，使用非常簡(jiǎn)單方便，屬于工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域。
目前使用較多的PID控制器整定方法還是傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的方法。其中典型的有Ziegler和Nichols在文章Optimum Settiongs for Automatic Controllers(Trans.ASME，1942，65，pp.433-444)中提出的Z-N法以及Cohen和Coon于Theoreticalconsideration of retarded control(Trans.ASME，1953，75，pp.827-834)一文中提出的C-C法?？紤]到由Z-N法整定的PID控制器超調(diào)較大，C.C.Hang和K.J.Astrom在Refinements of the Ziegler-Nichols tuning formula(IEE Proceedings-D，1991，138，2，pp.111-118)一文中提出一種改進(jìn)的Z-N法，簡(jiǎn)稱RZN法，通過(guò)給定值加權(quán)和修正積分常數(shù)改善了系統(tǒng)超調(diào)，這一方法被認(rèn)為是對(duì)PID整定方法最成功的改進(jìn)。
然而以上這些傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的整定方法都只利用了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的部分信息。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于誤差積分性能準(zhǔn)則的整定方法是一種數(shù)值方法，因?yàn)槌浞掷昧讼到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性信息，受到廣泛的重視，但是它沒(méi)有考慮系統(tǒng)的魯棒性問(wèn)題。
在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，由于外界的干擾、噪聲和系統(tǒng)本身的一些不可預(yù)計(jì)的動(dòng)態(tài)特性，例如系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)的偏移、部件的老化、原料成分的變化等，使得實(shí)際控制對(duì)象總是存在不確定性，也就是說(shuō)，通過(guò)辨識(shí)得到的對(duì)象模型實(shí)際上是不確定的，參數(shù)總在發(fā)生攝動(dòng)，因此不可能得到精確的數(shù)學(xué)模型。通常用模型誤差(也即模型參數(shù)的攝動(dòng)范圍)來(lái)表征對(duì)象的不確定性。若將對(duì)象模型誤差記為Δm，它表示各模型參數(shù)的攝動(dòng)范圍均在±Δm以內(nèi)。例如，Δm＝20％，辨識(shí)出的模型參數(shù)K、τ、θ均為1，則實(shí)際對(duì)象參數(shù)攝動(dòng)范圍為K~∈
,]]>τ~∈
,]]>θ~∈
]]>。工業(yè)控制中希望控制器能對(duì)控制對(duì)象的不確定性不敏感，在數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過(guò)程失配時(shí)系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，也就是具有好的魯棒性。顯然，系統(tǒng)魯棒性是評(píng)價(jià)控制質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。同時(shí)，這也是工業(yè)過(guò)程PID控制中亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，上述PID整定方法都很少考慮到控制對(duì)象的不確定性，工程技術(shù)人員在整定控制器時(shí)需同時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)，而又缺乏這三個(gè)參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)之間的明確聯(lián)系，當(dāng)然更缺乏這三個(gè)參數(shù)與被控對(duì)象模型誤差之間的聯(lián)系，因此人們既無(wú)法知道如何有效調(diào)節(jié)參數(shù)以達(dá)到指定的性能指標(biāo)，也無(wú)法知道整定后系統(tǒng)是否具有較好的魯棒性，而且，在控制對(duì)象由于受到擾動(dòng)等原因使模型誤差發(fā)生變化時(shí)，或者對(duì)系統(tǒng)的控制要求發(fā)生改變時(shí)，更不知如何有效調(diào)節(jié)控制器參數(shù)以達(dá)到系統(tǒng)性能和魯棒性之間的折中。
常規(guī)方法無(wú)法按指定性能和魯棒性設(shè)計(jì)控制器。后來(lái)發(fā)展的許多最優(yōu)解析設(shè)計(jì)方法中，狀態(tài)空間魯棒控制方法設(shè)計(jì)控制器的主要問(wèn)題是需要已知不確定性的范圍，很難按指定性能和魯棒性設(shè)計(jì)控制器，當(dāng)不確定性范圍發(fā)生變化時(shí)要重新設(shè)計(jì)控制器，控制器比較復(fù)雜。發(fā)明專利“工業(yè)過(guò)程單參數(shù)比例積分微分控制方法”(申請(qǐng)?zhí)?2145311.X)，在H2PID控制器(Morari，M.and E.Zafiriou，Robust processcontrol，Prentice Hall，Englewood Cliffs，NY，1989)，以及H∞PID控制器(①Zhang，W.D.，Modified PID Controller Based on H∞Theory，Proceedings of The IEEEInternational Conference on Industrial Technology，1996，PP.9-l2；②Zhang，W.D.，一類Smith預(yù)估器及其魯棒整定，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1997，23，5，pp.660-663)的基礎(chǔ)上提出了一套系統(tǒng)的定量方法，根據(jù)該方法可以解析設(shè)計(jì)出次最優(yōu)控制器。這類控制器由單參數(shù)調(diào)節(jié)，能提供定量的標(biāo)稱性能和魯棒性，可以方便地在標(biāo)稱性能和魯棒性之間進(jìn)行折中，但系統(tǒng)性能還待進(jìn)一步改進(jìn)。Lee et al.從另一角度入手，提出一種基于Maelaurin展開(kāi)的PID控制器(以下簡(jiǎn)稱MacPID控制器)設(shè)計(jì)方法(Lee，Y.，Park，S.，Lee，M.，and Brosilow，C.，PID controller tuning for desired closedloop response for SISO systems.AIChE J. 1998，44，1，pp.106-115)，該方法在理論上能達(dá)到更好的系統(tǒng)性能，但沒(méi)有給出整定方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在現(xiàn)有的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法以及單參數(shù)PID整定方法的基礎(chǔ)上，提出一種工業(yè)過(guò)程PID控制的新方法——智能PID控制方法。在工控系統(tǒng)辨識(shí)出控制對(duì)象模型的基礎(chǔ)上，用戶根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況對(duì)控制對(duì)象的模型誤差情況做出大致判斷，通過(guò)模型判斷器設(shè)定相應(yīng)的模型誤差值，然后監(jiān)控模塊自動(dòng)執(zhí)行事先編制好的智能PID控制程序，估算最佳控制器參數(shù)以及計(jì)算PID控制器參數(shù)并得到控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)魯棒性的定量整定，使系統(tǒng)的標(biāo)稱性能和魯棒性以最佳的方式達(dá)到折中。用戶還可通過(guò)在線調(diào)節(jié)模型判斷器來(lái)調(diào)節(jié)控制效果，獲得要求的標(biāo)稱性能和魯棒性。
本發(fā)明通過(guò)編制成相應(yīng)的智能PID控制監(jiān)控模塊，在現(xiàn)有的工控系統(tǒng)中直接實(shí)施。明確給出對(duì)象模型誤差和最佳控制器參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，從而構(gòu)建起這兩者之間的直觀聯(lián)系，連同本發(fā)明所采用的PID控制算法一同裝入監(jiān)控模塊中。
在系統(tǒng)進(jìn)入整定前，先利用現(xiàn)有工控系統(tǒng)中的對(duì)象辨識(shí)模塊進(jìn)行開(kāi)環(huán)辨識(shí)，該模塊仍然提供人工測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試兩種選擇，并將辨識(shí)出的模型參數(shù)送到主機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中。本發(fā)明中，將一階加純滯后對(duì)象模型記為G(s)=Ke-θsτs+1,]]>其中模型參數(shù)K為穩(wěn)態(tài)增益，τ為時(shí)間常數(shù)，θ為純滯后時(shí)間。類似的，對(duì)于高階對(duì)象可先進(jìn)行降階處理。
本發(fā)明提出的控制方法具體步驟如下1.在控制面板上事先以旋鈕形式設(shè)置一個(gè)模型判斷器，整定時(shí)先根據(jù)實(shí)際工況對(duì)控制對(duì)象的模型誤差情況(即不確定性)做出大致判斷，并通過(guò)模型判斷器設(shè)定相應(yīng)的模型誤差值。由工控機(jī)將該數(shù)據(jù)送到存儲(chǔ)單元RAM中。
當(dāng)實(shí)際工況發(fā)生變動(dòng)(即對(duì)象模型誤差變化)時(shí)，或者用戶希望獲得要求的標(biāo)稱性能和魯棒性時(shí)，也可在線調(diào)節(jié)模型判斷器所設(shè)定的模型誤差值。
模型判斷器除了旋鈕形式，還可采用按鈕或鍵盤輸入的形式設(shè)置，可以有幾種典型分檔形式一是按模型誤差范圍分為n檔；二是采用旋鈕形式在某一范圍的連續(xù)范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。連續(xù)調(diào)節(jié)可以看作是分檔分得很細(xì)的情形。由于連續(xù)調(diào)節(jié)方式會(huì)增加許多運(yùn)算量，所以一般推薦采用分檔方式。采用分檔方式時(shí)又有兩種常用分檔可供用戶參考一種是將90％模型誤差平均分為9檔，以范圍的形式給出，即10％以內(nèi)，20％以內(nèi)……，以此類推；另一種是將模型誤差分為10％、30％、50％三檔。
當(dāng)用戶設(shè)定的模型誤差是某一數(shù)值時(shí)，直接將該數(shù)值送到存儲(chǔ)單元作為模型誤差值；當(dāng)用戶設(shè)定的模型誤差是某一范圍時(shí)，則始終將模型誤差的最差情況(即該范圍的上界)送入存儲(chǔ)單元中。
2.由監(jiān)控模塊執(zhí)行事先編制好的智能PID控制程序首先對(duì)控制對(duì)象采樣濾波，經(jīng)模擬量輸入通道傳輸信號(hào)，并將信號(hào)接入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量輸入信號(hào)。判斷該信號(hào)極性，并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)。
具體規(guī)則是如果是正作用，則誤差信號(hào)e(n)等于系統(tǒng)輸出y(n)減系統(tǒng)輸入r(n)后的差值；如果是負(fù)作用，則e(n)等于r(n)減y(n)后的差值。
3.然后判斷模型誤差值是否改變。如果“是”，執(zhí)行以下運(yùn)算①讀取存儲(chǔ)單元RAM中的被控對(duì)象模型參數(shù)和模型誤差值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出相應(yīng)的最佳控制器參數(shù)λλ＝(αΔm+β)θ (1)其中，α≈4，β≈0.4，Δm為對(duì)象模型誤差值，θ為純滯后時(shí)間。
②讀取最佳控制器參數(shù)λ，按照MacPID控制器設(shè)計(jì)方法，計(jì)算理想PID控制器參數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算離散域PID控制算式的系數(shù)值。
如果“否”，直接讀取前一時(shí)刻的離散域PID控制算式的系數(shù)值。
實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)也可將最佳控制器參數(shù)定在根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式所得結(jié)果附近合理范圍內(nèi)。本發(fā)明的核心是通過(guò)分檔定量整定，而分檔整定的關(guān)鍵是給出對(duì)象模型誤差與λ之間的關(guān)系λ＝f(Δm)。f(Δm)的具體函數(shù)形式可以有很多選擇，具體參數(shù)同系統(tǒng)標(biāo)稱性能和魯棒性都有關(guān)系，在工程上希望它越簡(jiǎn)單越好。通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，上述經(jīng)驗(yàn)公式(1)是最簡(jiǎn)單的形式，對(duì)應(yīng)5％左右超調(diào)。大多數(shù)情況下該形式已經(jīng)足夠了，如果有必要，采用類似方法可以得到一系列不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)然，這種分檔整定的方法也可用于考慮其他性能指標(biāo)的控制。實(shí)際模型誤差的增大意味著需要更好的魯棒性，從而需要設(shè)定更大的Δm，也即更大的λ，這時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的時(shí)間(即上升時(shí)間)增大，因此也可從上升時(shí)間或其他性能指標(biāo)入手得到對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，然后再采用上述分檔整定的方法。
4.進(jìn)而按照離散域PID控制算式計(jì)算控制信號(hào)增量Δu(n)的值，與前一時(shí)刻的控制信號(hào)u(n-1)通過(guò)加法器進(jìn)行加法運(yùn)算就得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制信號(hào)u(n)。
5.對(duì)u(n)進(jìn)行限幅，防止積分飽和，由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對(duì)象，使被控對(duì)象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)的狀態(tài)等參數(shù)，原始數(shù)據(jù)系列向前滾動(dòng)一個(gè)單元。如此周而復(fù)始，整個(gè)工控系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了有效控制。
在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)采用本發(fā)明提出的智能PID控制方法，最大的特點(diǎn)就是具有智能性，能對(duì)系統(tǒng)的魯棒性實(shí)現(xiàn)定量整定。所謂智能性，通俗地說(shuō)，就是控制器的使用就像“自動(dòng)相機(jī)”一樣簡(jiǎn)單有效。在使用“自動(dòng)相機(jī)”時(shí)，用戶大致估計(jì)焦距是近、中或遠(yuǎn)后，一撳按鈕，其他工作都由相機(jī)自動(dòng)完成；在使用本專利提出的方法時(shí)，工程技術(shù)人員所要做的工作就是根據(jù)實(shí)際工況大致判斷模型誤差在哪一檔，其他工作由系統(tǒng)自動(dòng)完成系統(tǒng)能自動(dòng)計(jì)算出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)魯棒性的定量整定，使系統(tǒng)標(biāo)稱性能和魯棒性達(dá)到最佳折中；同時(shí)對(duì)大純滯后對(duì)象能同樣實(shí)施有效控制。用戶操作起來(lái)更簡(jiǎn)便直觀；控制效果更快速平穩(wěn)，能達(dá)到更好的系統(tǒng)性能。采取本發(fā)明控制方法的工控系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于能源、冶金、石化、輕工、醫(yī)藥、建材、紡織等行業(yè)中各類企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制。
如

圖1所示，系統(tǒng)進(jìn)入控制階段后，用戶根據(jù)實(shí)際工況通過(guò)模型判斷器設(shè)定被控對(duì)象的模型誤差，同時(shí)工控機(jī)讀取監(jiān)控模塊中的程序，順序執(zhí)行控制過(guò)程首先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)變送和A/D轉(zhuǎn)換等輸入預(yù)處理得到數(shù)字量輸入信號(hào)，判斷該信號(hào)極性，并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)。然后判斷模型誤差值是否改變。如果是，則估算最佳控制器參數(shù)，并計(jì)算PID控制器參數(shù)，如果否，則直接沿用前一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，無(wú)需重新計(jì)算，最終得到控制信號(hào)。該輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅和D/A轉(zhuǎn)換等處理后去驅(qū)動(dòng)被控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的智能PID閉環(huán)控制，可對(duì)系統(tǒng)魯棒性實(shí)現(xiàn)定量整定，達(dá)到最佳控制效果。
上述工控過(guò)程中若將辨識(shí)模塊設(shè)成自動(dòng)測(cè)試模式，那么就可形成自整定智能PID控制系統(tǒng)。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的控制效果圖。
將本發(fā)明提出的控制方法用于造紙生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，其目的是生產(chǎn)具有恒定定量的紙張。此處所謂的定量即是每平方米紙張的重量。系統(tǒng)的控制對(duì)象是典型的長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)。在造紙生產(chǎn)過(guò)程中，從打漿工段送來(lái)的中濃紙漿與網(wǎng)下回收白水混合成為適合上網(wǎng)的低濃紙漿，輸送到流漿箱中，可成為是該造紙機(jī)的輸入。再?gòu)牧鳚{箱的堰板噴出口噴射到網(wǎng)上，紙漿在網(wǎng)上經(jīng)濾水脫去絕大部分水分形成濕紙頁(yè)后進(jìn)入壓榨部，濕紙頁(yè)在壓榨部經(jīng)過(guò)壓錕多次壓榨又脫去剩余的大部分水分，然后進(jìn)入干燥部，在一系列的充滿高溫蒸汽的烘缸中被加熱，于是濕紙中的水分逐漸蒸發(fā)掉，最終得到成品紙，也就是造紙機(jī)的輸出。工控系統(tǒng)的主機(jī)部分采用研華工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制器功能。執(zhí)行器是調(diào)節(jié)紙漿流量的調(diào)節(jié)閥，采用ZBJV精密電磁閥。傳感器是測(cè)量紙張定量的WDT-3β定量?jī)x。由RTU-88組態(tài)硬件實(shí)現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換。
在系統(tǒng)進(jìn)入整定前，先利用該造紙生產(chǎn)工控系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象——典型的長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)環(huán)辨識(shí)，其辨識(shí)原理是開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)面積法，結(jié)果得到定量控制的造紙機(jī)動(dòng)態(tài)模型為G(s)=5.15e-2.8s1.8s+1,]]>即一階加純滯后模型參數(shù)為K＝5.15，τ＝1.8，θ＝2.8。該控制過(guò)程具有典型的純滯后特性。工控系統(tǒng)將辨識(shí)出的模型參數(shù)送到主機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)入智能PID控制過(guò)程，具體實(shí)施步驟有以下幾步1.在控制面板上事先以旋鈕形式設(shè)置一個(gè)模型判斷器，按模型誤差范圍來(lái)分檔，將90％模型誤差平均分為9檔，以范圍的形式給出，即10％以內(nèi)，20％以內(nèi)……，以此類推。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的外界干擾、噪聲情況以及系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)的偏移、造紙機(jī)部件的老化、紙漿原料成分的變化等情況判斷辨識(shí)所得對(duì)象模型的參數(shù)攝動(dòng)范圍，也即模型誤差。如判斷生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模型誤差大約在15％左右，那么就選擇20％以內(nèi)一檔。工控機(jī)將模型誤差數(shù)據(jù)Δm＝20％送到存儲(chǔ)單元RAM中。
2.同時(shí)，監(jiān)控模塊開(kāi)始執(zhí)行事先編制好的智能PID控制程序首先對(duì)控制對(duì)象采樣濾波，經(jīng)模擬量輸入通道傳輸信號(hào)，并將信號(hào)接入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量輸入信號(hào)。判斷該信號(hào)極性，并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)。如果是正作用，則誤差信號(hào)e(n)等于系統(tǒng)輸出y(n)減系統(tǒng)輸入r(n)后的差值；如果是負(fù)作用，則e(n)等于r(n)減y(n)后的差值。
3.然后判斷模型誤差值是否改變。由于此時(shí)的模型誤差值是系統(tǒng)啟動(dòng)后初次設(shè)定值，所以判斷結(jié)果為“是”，監(jiān)控模塊執(zhí)行以下運(yùn)算①讀取存儲(chǔ)單元RAM中的被控對(duì)象模型參數(shù)和模型誤差值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)，其中取α＝4，β＝0.4，計(jì)算出最佳控制器參數(shù)λ的值為3.36。
②讀取最佳控制器參數(shù)λ，按照MacPID控制器設(shè)計(jì)方法Ti=τ+θ22(λ+θ),Kc=TiK(λ+θ),Td=θ2(3Ti-θ)6Ti(λ+θ),Tf=0.1Td]]>計(jì)算PID控制器參數(shù)Kc，Ti，Td，Tf為Ti＝2.4364，Td＝0.3926，Kc＝0.0768，Tf＝0.0393并進(jìn)一步按照離散域PID控制算式Δu(n)＝b1Δu(n-1)+b2e(n)+b3e(n-1)+b4e(n-2)b1=TfTf+τ,b2=KcτTf+τ(1+τTi+Tdτ),b3=KcτTf+τ(1+2Tdτ),b4=KcTdTf+τ]]>以上各式中K——控制對(duì)象增益，θ——控制對(duì)象純滯后，τ——控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)，λ——系統(tǒng)性能度，Kc——控制器增益，Ti——控制器積分時(shí)間，Td——控制器微分時(shí)間，Tf——濾波器時(shí)間常數(shù)，Δu(n)——當(dāng)前(n)時(shí)刻控制器輸出信號(hào)增量，Δu(n)Δu(n-1)——(n-1)時(shí)刻控制器輸出信號(hào)增量，e(n)——n時(shí)刻跟蹤誤差，e(n-1)——(n-1)時(shí)刻跟蹤誤差，e(n-2)——(n-2)時(shí)刻跟蹤誤差計(jì)算系數(shù)值b1，b2，b3，b4為b1＝0.0213，b2＝0.1471，b3＝0.1079，b4＝0.01644.進(jìn)一步計(jì)算控制信號(hào)增量Δu(n)Δu(n)＝0.0213Δu(n-1)+0.1471e(n)+0.1079e(n-1)+0.0164e(n-2)與前一時(shí)刻的控制信號(hào)u(n-1)通過(guò)加法器進(jìn)行加法運(yùn)算就得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制信號(hào)u(n)。
5.對(duì)u(n)進(jìn)行限幅，防止積分飽和，由D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)模擬量輸出通道送到調(diào)節(jié)紙漿流量的調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥作用到造紙機(jī)，便可使造紙機(jī)運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)，生產(chǎn)出定量的紙張，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)的狀態(tài)等參數(shù)，原始數(shù)據(jù)系列向前滾動(dòng)一個(gè)單元。如此周而復(fù)始，整個(gè)造紙控制系統(tǒng)便實(shí)現(xiàn)了對(duì)紙張生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定可靠的閉環(huán)控制。得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖2所示。
在生產(chǎn)過(guò)程中，假設(shè)工況發(fā)生變化，模型誤差增大到25％左右，系統(tǒng)響應(yīng)也隨之發(fā)生波動(dòng)。這時(shí)工程技術(shù)人員根據(jù)估計(jì)調(diào)整模型誤差范圍到30％以內(nèi)，系統(tǒng)在下一周期判斷出Δm已發(fā)生改變，于是重新執(zhí)行運(yùn)算讀取到Δm＝30％，計(jì)算出最佳控制器參數(shù)λ的值為4.48，新的一組PID控制器參數(shù)為Ti＝2.3385，Td＝0.3235，Kc＝0.0624，Tf＝0.0324所以離散域PID控制算式的系數(shù)值b1，b2，b3，b4為b1＝0.0177，b2＝0.1194，b3＝0.0833，b4＝0.011控制信號(hào)增量Δu(n)為Δu(n)＝0.0177Δu(n-1)+0.1194e(n)+0.0833e(n-1)+0.011e(n-2)與前一時(shí)刻的控制信號(hào)u(n-1)通過(guò)加法器進(jìn)行加法運(yùn)算就得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制信號(hào)u(n)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)該控制信號(hào)作用馬上又智能地實(shí)現(xiàn)了有效控制，控制效果如圖3所示。
正因?yàn)楸景l(fā)明在設(shè)計(jì)控制器的過(guò)程中考慮的是被控對(duì)象可能產(chǎn)生的模型失配的最差情況，而這種最差情況對(duì)系統(tǒng)的魯棒性影響最大，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的控制器能使系統(tǒng)在最差情況下達(dá)到標(biāo)稱性能和魯棒性的最佳折中，那么當(dāng)實(shí)際對(duì)象的模型失配程度不是最差情況時(shí)，該控制器的性能將比預(yù)期的還好。因此保證了本發(fā)明獲得的是最佳控制器。
以上描述的是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所考慮的內(nèi)容，顯然本發(fā)明不只限于上述實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容所涉及范圍的前提下對(duì)其可作種種變形加以實(shí)施。
而且，盡管上述實(shí)施例所說(shuō)明的PID控制方法是在現(xiàn)有工控系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上以編制軟件來(lái)進(jìn)行的，目的是使說(shuō)明簡(jiǎn)潔清楚，但是明顯地理解到它們可以根據(jù)同樣的原理通過(guò)采用單片機(jī)，以相關(guān)硬件在其他場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法，其特征在于在工控系統(tǒng)開(kāi)環(huán)辨識(shí)出控制對(duì)象模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)入控制過(guò)程，包括如下具體步驟1)在控制面板上事先以旋鈕形式設(shè)置一個(gè)模型判斷器，整定時(shí)先根據(jù)實(shí)際工況對(duì)控制對(duì)象的模型誤差情況做出大致判斷，并通過(guò)模型判斷器設(shè)定相應(yīng)的模型誤差值，由工控機(jī)將該數(shù)據(jù)送到存儲(chǔ)單元RAM中；2)由監(jiān)控模塊執(zhí)行事先編制好的智能PID控制程序先對(duì)控制對(duì)象采樣濾波，經(jīng)模擬量輸入通道傳輸信號(hào)，將信號(hào)接入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量輸入信號(hào)，判斷該信號(hào)極性并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)；3)然后判斷模型誤差值是否改變，如果“是”，執(zhí)行以下運(yùn)算①讀取存儲(chǔ)單元RAM中的被控對(duì)象模型參數(shù)和模型誤差值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出相應(yīng)的最佳控制器參數(shù)λ，λ＝(αΔm+β)θ，其中，α≈4，β≈0.4，Δm為對(duì)象模型誤差值，θ為純滯后時(shí)間；②讀取最佳控制器參數(shù)λ，按照MacPID控制器設(shè)計(jì)方法，計(jì)算理想PID控制器參數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算離散域PID控制算式的系數(shù)值；如果“否”，直接讀取前一時(shí)刻的離散域PID控制算式的系數(shù)值；4)按照離散域PID控制算式計(jì)算控制信號(hào)增量Δu(n)的值，與前一時(shí)刻的控制信號(hào)u(n-1)通過(guò)加法器進(jìn)行加法運(yùn)算就得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出控制信號(hào)u(n)；5)對(duì)u(n)進(jìn)行限幅，防止積分飽和，由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對(duì)象，使被控對(duì)象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)的狀態(tài)等參數(shù)，原始數(shù)據(jù)系列向前滾動(dòng)一個(gè)單元，如此周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)控制。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法，其特征在于模型判斷器在模型誤差范圍內(nèi)分檔或連續(xù)調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求2所說(shuō)的定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法，其特征在于模型判斷器采用分檔方式時(shí)以范圍的形式將90％模型誤差平均分為9檔或?qū)⒛Ｐ驼`差分為10％、30％、50％三檔。
全文摘要
一種定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法，在工控系統(tǒng)辨識(shí)出控制對(duì)象模型的基礎(chǔ)上，用戶根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況對(duì)控制對(duì)象的模型誤差情況做出大致判斷，通過(guò)模型判斷器設(shè)定相應(yīng)的模型誤差值，然后監(jiān)控模塊自動(dòng)執(zhí)行事先編制好的智能PID控制程序，估算最佳控制器參數(shù)以及計(jì)算PID控制器參數(shù)并得到控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)魯棒性的定量整定，使系統(tǒng)的標(biāo)稱性能和魯棒性以最佳的方式達(dá)到折中。用戶還可通過(guò)在線調(diào)節(jié)模型判斷器來(lái)調(diào)節(jié)控制效果，獲得要求的標(biāo)稱性能和魯棒性。本發(fā)明具有智能性的特點(diǎn)，在不重新設(shè)計(jì)控制器的情況下，能達(dá)到更好的系統(tǒng)性能，操作簡(jiǎn)便直觀，控制快速平穩(wěn)，而且對(duì)大純滯后對(duì)象能同樣實(shí)施有效控制。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1445629SQ0311567
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月6日
發(fā)明者張衛(wèi)東, 顧誕英 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)