專利名稱：鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的比例控制器設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的比例控制器設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
由于變量的測(cè)量、物質(zhì)及信號(hào)的傳遞等因素的影響，時(shí)間滯后現(xiàn)象普遍存在于各種實(shí)際的系統(tǒng)中，如在電力電子、機(jī)械、化工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)和數(shù)字控制計(jì)算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)中都普遍存在時(shí)間滯后現(xiàn)象。從工程實(shí)踐的角度來看，時(shí)滯的存在往往可以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。從理論分析的角度來看，在連續(xù)域中，時(shí)滯系統(tǒng)是一個(gè)無窮維的系統(tǒng)，特征方程是超越方程，有無窮多個(gè)特征根，而在離散域中，時(shí)滯系統(tǒng)的維數(shù)隨時(shí)滯的增加按幾何規(guī)律增大的，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和控制器的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。因此對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制無論在理論方面還是在工程實(shí)踐方面都具有極大的挑戰(zhàn)性。近幾十年來，已有許多學(xué)者對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制問題進(jìn)了廣泛而深入的研究，取得了一些重要的研究成果，但這些成果在用于工業(yè)過程控制時(shí)有其本身的局限性，如對(duì)于線性時(shí)滯系統(tǒng)，利用這些方法所得到的最優(yōu)控制器均為真有理結(jié)構(gòu)，而且往往階次較高，一般與被控對(duì)象的階次相同，甚至更高，故控制器的實(shí)現(xiàn)成本很高，很難在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。因此，盡管許多現(xiàn)代控制方法不斷推出，但低階控制器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、階次低、適用范圍廣、具有魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。比例控制器是最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最普遍的低階控制器，僅包含一個(gè)可調(diào)參數(shù)。其控制規(guī)律是在一定界限內(nèi)控制器作用的變化量與輸入偏差成比例。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)傳送過來的信息與被控變量的設(shè)定值比較后得到偏差，然后根據(jù)偏差按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出控制信號(hào)作用于執(zhí)行器上。它能夠迅速地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)很快地穩(wěn)定下來。保證系統(tǒng)穩(wěn)定是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的必要前提條件。若系統(tǒng)不穩(wěn)定，會(huì)影響工業(yè)過程的安全生產(chǎn)，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的低階控制器鎮(zhèn)定性分析，大多數(shù)方法都是采用有理傳遞函數(shù)來逼近時(shí)滯項(xiàng)。但是，由于時(shí)滯項(xiàng)逼近誤差的存在，采用此類低階控制器設(shè)計(jì)方法可能會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其是對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)，逼近誤差會(huì)更大。雖然有一些方法直接針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)可以確定比例控制器的穩(wěn)定集合，如Norbert H.提出的基于奇異頻率的穩(wěn)定域求解方法(All stabilizing PID controllers for time delaysystems, Automat ica, 2009, 45(11): 2678-2684)，但到目前為止還僅局限于具有單個(gè)時(shí)滯的被控對(duì)象，無法應(yīng)用于具有多時(shí)滯的復(fù)雜被控對(duì)象。在工業(yè)過程控制中，由于串聯(lián)、并聯(lián)等關(guān)系的作用，具有多時(shí)滯的被控對(duì)象廣泛存在，由于多時(shí)滯被控對(duì)象的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)非常困難，一般在進(jìn)行模型辨識(shí)時(shí)，將這類復(fù)雜被控對(duì)象辨識(shí)為具有單時(shí)滯的線性模型，從而產(chǎn)生較大的模型誤差。如何在反饋控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的比例控制器以保證復(fù)雜的多時(shí)滯被控系統(tǒng)穩(wěn)定是一個(gè)尚未解決且對(duì)工業(yè)控制起著重要作用的研究問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的比例控制器設(shè)計(jì)方法。首先，確定具有比例控制器的多時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件，然后，給出能夠保證多時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定的所有比例控制器集合，完成比例控制器的參數(shù)化。只要在所獲得的比例控制器穩(wěn)定集合中選取比例增益的值，都能夠保證多時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定。該方法是一種通用的解析設(shè)計(jì)方法，對(duì)于任意給定的單輸入單輸出線性多時(shí)滯系統(tǒng)，能夠快速、有效和準(zhǔn)確地給出比例控制參數(shù)穩(wěn)定域，從而可通過在該穩(wěn)定域中進(jìn)行參數(shù)的選取和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，讓用戶最簡(jiǎn)單化地完成控制器設(shè)計(jì)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明在現(xiàn)有的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，將提出的多時(shí)滯系統(tǒng)比例控制方法集成在工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控模塊中用以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。采用單位反饋控制結(jié)構(gòu)，在工控系統(tǒng)辨識(shí)出控制對(duì)象模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)辨識(shí)出的子系統(tǒng)模型和各子系統(tǒng)的關(guān)系確定包含多時(shí)滯的復(fù)雜被控對(duì)象模型，然后根據(jù)被控對(duì)象模型參數(shù)，計(jì)算出比例控制器C(S)=K中控制參數(shù)的穩(wěn)定域，其中K為比例增益。通過在所獲得的穩(wěn)定集合中進(jìn)行控制參數(shù)選取和調(diào)節(jié)，確定能夠滿足用戶要求的比例控制參數(shù)并得到控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多時(shí)滯被控對(duì)象的控制。同時(shí)用戶還可通過在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來調(diào)節(jié)控制效果。具體步驟如下:(I)先利用工控系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)，并確定各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，進(jìn)而得到具有如下傳遞函數(shù)的多時(shí)滯被控對(duì)象模型
權(quán)利要求
1.一種鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的比例控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)先利用工控系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)，并確定各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，進(jìn)而得到具有如下傳遞函數(shù)的多時(shí)滯被控對(duì)象模型
全文摘要
一種工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域的鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的比例控制器設(shè)計(jì)方法，步驟如下1)根據(jù)模型辨識(shí)方法獲取被控對(duì)象中各子系統(tǒng)的模型，并根據(jù)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系確定多時(shí)滯被控對(duì)象的模型；2)根據(jù)模型參數(shù)確定能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的所有比例控制器的穩(wěn)定集合；3)在所求取的比例控制器穩(wěn)定集合中選取合適的值，并執(zhí)行比例控制程序，使被控對(duì)象運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)比例控制器對(duì)單輸入單輸出多時(shí)滯系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制。
文檔編號(hào)G05B11/38GK103207561SQ201310050019
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者歐林林, 陳駿杰, 馮遠(yuǎn)靜, 徐建明 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)