本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制領(lǐng)域，是一種針對控制器輸出存在滯后的實時控制系統(tǒng)，控制器采用ADRC-PD的補償控制方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)過程控制中，由于物料或能量的傳輸延遲或者控制器輸出存在滯后，使得被控對象具有純滯后的性質(zhì)。當(dāng)控制純滯后時間τ與時間常數(shù)T之比的大滯后對象時，采用常規(guī)的PID控制器會使控制過程嚴重超調(diào)，穩(wěn)定性變差。對大滯后對象，為了克服滯后，通常在PID控制器中加入較強的微分作用，但是微分對干擾有放大作用，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于滯后系統(tǒng)的控制，SMITH預(yù)估器是經(jīng)典解決方法之一(Lee T H,Wang Q G,Tan K K.Robust Smith‐predictor controller for uncertain delay systems AIChE Journal,1996,42(4):1033-1040)。但SMITH預(yù)估器對估計模型的精度要求高(Yamanaka K,Shimemura E.Effects of mismatched Smith controller on stability in systems with time-delay[J].Automatica,1987,23(6):787-791)，在估計模型失配的情況下其對滯后的補償作用不好。韓京清教授基于PID控制思想，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，于1998年提出了自抗擾控制器(Active disturbance rejection control，ADRC，自抗擾控制技術(shù)[J].前沿科學(xué),2007,01:24-31.)。在傳統(tǒng)ADRC的基礎(chǔ)上，相繼學(xué)者提出了針對滯后系統(tǒng)的控制方法，其中包括ADRC無視時滯法，ADRC階次提高法，ADRC輸出預(yù)估法(ZHENG Q L,GAO Z Q.Predictive active disturbance rejection control for processes with delay[C]//Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference.Piscataway,NJ:IEEE,2013:4108–4113，Zhao S,Gao Z.Modified active disturbance rejection control for time-delay systems[J].ISA transactions,2014,53(4):882-888.)，這些改進方法在傳統(tǒng)ADRC結(jié)構(gòu)上要么通過調(diào)整參數(shù)改善控制性能，要么通過在適當(dāng)位置加入超前或者滯后模塊抵消滯后作用。如果已知對象的辨識模型，則可以在ADRC輸入時滯法的基礎(chǔ)上，將擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的補償作用簡化到一個傳遞函數(shù)補償模塊，并在簡化結(jié)構(gòu)中求出控制器和補償模塊參數(shù)，實現(xiàn)對滯后對象的ADRC-PD補償控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對滯后系統(tǒng)控制難度大及先進控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，本發(fā)明提供了一種時滯過程的ADRC-PD補償控制系統(tǒng)及方法，其關(guān)鍵點在于：采用辨識模型及自抗擾控制器的擴張狀態(tài)觀 測器對時滯系統(tǒng)中的干擾和非線性部分(包括時滯部分)設(shè)計ADRC補償控制模塊和PD控制模塊，并根據(jù)閉環(huán)混合靈敏度H_∞范數(shù)最小為指標，優(yōu)化設(shè)計出ADRC補償控制模塊和PD控制模塊的參數(shù)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種時滯對象的ADRC-PD補償控制系統(tǒng)及方法，包括與滯后對象生產(chǎn)過程連接的現(xiàn)場儀表、集散控制系統(tǒng)DCS、以及時滯補償控制服務(wù)器，所述的滯后對象的工業(yè)生產(chǎn)過程指工業(yè)中控制器輸出存在滯后的過程；所述的DCS控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、操作員站、工程師站、顯示畫面、數(shù)據(jù)庫及OPC服務(wù)器構(gòu)成；現(xiàn)場儀表、DCS系統(tǒng)、時滯補償控制服務(wù)器依次相連，其特征在于：所述的時滯補償控制服務(wù)器包括：

1.OPC客戶端及數(shù)據(jù)接口模塊，用于從DCS控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并通過ADRC-PD控制器對數(shù)據(jù)進行處理，并將其傳送到DCS系統(tǒng)中，實現(xiàn)滯后對象的工業(yè)過程生產(chǎn)指標的閉環(huán)控制；

2.ADRC補償模塊，補償模塊是根據(jù)辨識模型及自抗擾控制器的擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)中的干擾和非線性部分(包括時滯部分)設(shè)計的一個補償控制模塊；

3.PD控制模塊，是根據(jù)閉環(huán)混合靈敏度H_∞范數(shù)最小為指標，優(yōu)化設(shè)計的比例-微分控制器模塊。

一種所述的時滯對象的ADRC-PD補償控制方法包括以下步驟：

1.利用OPC客戶端及數(shù)據(jù)接口模塊采集滯后工業(yè)過程數(shù)據(jù)，使用開環(huán)辨識方法，辨識出如下式所示的單變量時滯過程的SOPDT(Second Order Plus Dead Time)傳遞函數(shù)模型

其中b,T₁,T₂,τ為模型參數(shù)。

2.根據(jù)對象的傳遞函數(shù)模型和ADRC擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計原理，設(shè)計時滯過程的ADRC補償模塊及PD控制模塊。對于一個帶滯后的廣義二階動態(tài)系統(tǒng)，其擴張狀態(tài)方程為：

其中X＝[x₁,x₂,x₃]^T為系統(tǒng)的擴張狀態(tài)，u(t)為控制作用，τ為系統(tǒng)時滯，w(t)為外部擾動，f(x₁(t),x₂(t),w(t))為總和擾動_，y(t)為系統(tǒng)輸出。定義時滯廣義二階動態(tài)系統(tǒng)的擴張狀態(tài)觀 測器為：

其中β₀₁,β₀₂,β₀₃為擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)。從(3)中可以得出在頻域內(nèi)系統(tǒng)的加速度量z₃(s)為：

由(1)結(jié)合(4)可得z₃(s)的近似估計為

對滯后部分使用pade一階近似：

假定模型對滯后的辨識準確，則ADRC-PD控制器的形式如下

u(s)＝G__PD(s)(r-y(s))G_m(s) (7)

G__PD(s)＝k_p+k_ds (8)

其中G_m(s)是ADRC補償模塊，G__PD(s)是比例-微分控制器模塊，β₀₁,β₀₂,β₀₃,k_p,k_d是ADRC-PD控制器參數(shù)。由(7)可以看出，ADRC-PD控制器不再有狀態(tài)觀測器，而只包含一個簡單的滯后系統(tǒng)補償模塊G_m(s)，易于實現(xiàn)，達到了控制系統(tǒng)簡化的目的。

3.對采用ADRC-PD控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)S和補靈敏度函數(shù)T的定義如下：

以(12)所示的H_∞混合靈敏度范數(shù)最小優(yōu)化得到ADRC-PD控制器參數(shù)β₀₁,β₀₂,β₀₃,k_p,k_d。

其中W_S表示靈敏度權(quán)函數(shù)，W_T表示補靈敏度權(quán)函數(shù)，優(yōu)化算法采用粒子群優(yōu)化(PSO)優(yōu)化算法(MARCIO Schwaab，Evaristo Chalbaud Biscaia,Jose Carlos Pinto.Nonlinear parameter estimation through particle swarm optimization.Chemical Engineering Science,2008,63:1542-1552)。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思：針對控制器的輸出存在滯后的現(xiàn)象，根據(jù)ADRC的控制原理結(jié)合過程辨識模型，將擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的補償模塊，簡化成一個簡單的ADRC-PD控制器，再以閉環(huán)混合靈敏度H_∞范數(shù)最小為指標，通過PSO優(yōu)化的方式，優(yōu)化計算出ADRC-PD控制器的參數(shù)。

本發(fā)明的效果主要表現(xiàn)在：針對滯后工業(yè)過程，設(shè)計了ADRC-PD補償控制器，并利用閉環(huán)混合靈敏度H_∞范數(shù)最小為指標優(yōu)化了ADRC-PD補償控制器參數(shù)，提高了對滯后對象的跟蹤控制性能和對外界擾動的魯棒性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提出的時滯對象的ADRC-PID補償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。1為大時滯工業(yè)裝置，2為現(xiàn)場過程儀表，3為現(xiàn)場分析儀表，4為DCS通信網(wǎng)絡(luò)，5為DCS系統(tǒng)，包含OPC服務(wù)器模塊、操作站、工程師站、滯后補償控制操作畫面、DCS數(shù)據(jù)庫，6為滯后補償控制服務(wù)器，7為TCP/IP協(xié)議的路由器。滯后補償控制服務(wù)器6利用OPC協(xié)議從DCS控制系統(tǒng)采集實時操作數(shù)據(jù)，然后根據(jù)ADRC-PD控制器計算出控制量大小，送到DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)對時滯工業(yè)過程的平穩(wěn)跟蹤控制。

圖2是本發(fā)明滯后補償控制服務(wù)器的功能實現(xiàn)原理框圖。利用OPC客戶端及數(shù)據(jù)接口模塊，從DCS控制系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù)，然后根據(jù)ADRC-PD控制器計算出控制量大小，送到DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)對時滯工業(yè)過程的平穩(wěn)跟蹤控制。

圖3、圖4是利用辨識模型將擴張狀態(tài)觀測器(ESO)轉(zhuǎn)化成補償模塊，實現(xiàn)對回路的簡化。

圖5是實施例1中穩(wěn)定吸收塔塔釜溫度控制工藝流程圖，是通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來控制塔釜溫度。

圖6是實施例1中溫度控制曲線。

圖7是實施例2中三容液位緩沖工藝流程圖。

圖8是實施例2中三容水箱液位控制曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本發(fā)明實例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

將本發(fā)明應(yīng)用于某廠吸收穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)裝置，裝置硬件結(jié)構(gòu)圖參照圖1，裝置工藝流程參照圖5。該裝置主要通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來控制精餾塔塔釜溫度，由于溫度的檢測存在滯后性，加大了控制的難度。

參照圖2，一種時滯過程的ADRC-PD補償控制系統(tǒng)及方法，包括與裝置連接的現(xiàn)場儀表、橫河CS3000DCS系統(tǒng)、滯后補償服務(wù)器為DELL 1900服務(wù)器。所述的滯后補償服務(wù)器包括：OPC客戶端數(shù)據(jù)通信模塊及數(shù)據(jù)庫接口模塊。利用OPC客戶端數(shù)據(jù)采集模塊采集塔釜溫度、蒸汽流量和閥門開度。

通過開環(huán)辨識的方式，辨識得到對象的開環(huán)傳遞函數(shù)是：

ADRC-PD補償控制模塊用于對滯后對象的補償控制，優(yōu)化計算出合適的輸出值給蒸汽閥，使閥的開度滿足塔釜溫度控制要求。

使用本發(fā)明后，對催化裂化吸收穩(wěn)定塔塔釜溫度控制曲線如附圖6所示。使用該方法后閉環(huán)控制中對滯后對象跟蹤設(shè)定值性能有了明顯提高，使用前和使用后的均方誤差如下表所示。

實施例2

將本發(fā)明應(yīng)用于某廠工業(yè)甲烷生產(chǎn)裝置，裝置硬件結(jié)構(gòu)圖參照圖1，裝置工藝流程參照圖7。該裝置中控制的是一個儲液罐的液位，由于生產(chǎn)的需要，在該儲液罐的前一級還有一 個緩存罐，通過緩存罐的進料閥來控制儲液罐的液位，像這種多容裝置的液位控制存在很大的滯后性。

通過開環(huán)辨識的方式，辨識得到對象的開環(huán)傳遞函數(shù)是：

ADRC-PD補償控制模塊。用于對滯后對象的補償控制，優(yōu)化計算出合適的輸出值給進料閥，使閥的開度滿足液位的控制要求。

使用本發(fā)明后，對多容水箱的液位控制的控制曲線如附圖8所示。使用該方法后閉環(huán)控制中對滯后對象跟蹤設(shè)定值性能有了明顯提高，使用前和使用后的均方誤差如下表所示。