本發(fā)明涉及一種工業(yè)過程控制技術(shù)，特別涉及一種基于大數(shù)據(jù)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)及內(nèi)?？刂品椒?。
背景技術(shù)：
：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，常規(guī)的單回路系統(tǒng)已難以滿足復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求。串級(jí)系統(tǒng)因其抗干擾和自適應(yīng)能力強(qiáng)而被廣泛用于對象擾動(dòng)幅度大、非線性、容量滯后大、參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的場合。目前，串級(jí)控制系統(tǒng)的建模存在兩方面的問題。首先，在過程模型的辨識(shí)方法方面，一些經(jīng)典辨識(shí)方法，如預(yù)報(bào)誤差法、輔助變量法、相關(guān)分析法、頻譜分析法等，雖均能在開環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下能獲得滿意的結(jié)果，但卻缺乏可行性。實(shí)際應(yīng)用中，由于要考慮系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，而無法進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)(如電力、冶金造等工業(yè)生產(chǎn)過程)。其次，在模型的選擇上，工程上一般采用基于最小二乘法的一階時(shí)滯(FOPDT)模型、抑或是基于1/1Pade逼近的二階模型來擬合對象。然而，由于這些方法擬合出的模型精度不高，且無法反應(yīng)部分高階對象的頻域特性，整定出的PID控制器穩(wěn)定性與控制品質(zhì)都很一般。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是針對經(jīng)典開環(huán)方法難以應(yīng)用于實(shí)際的問題，提出了一種基于大數(shù)據(jù)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)及內(nèi)模控制方法，依托大數(shù)據(jù)背景，構(gòu)建了系統(tǒng)辨識(shí)和系統(tǒng)控制的一體化解決方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于大數(shù)據(jù)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)及內(nèi)模控制方法，具體包括如下步驟：1)數(shù)據(jù)采集：設(shè)系統(tǒng)為內(nèi)外環(huán)串級(jí)控制，主控在外環(huán)稱為主環(huán)，副控在內(nèi)環(huán)稱為副環(huán)；G1、G2為主控制對象和副控制對象表達(dá)式，GC1和GC2為主、副控制器表達(dá)式，控制對象和對應(yīng)的控制器都是串聯(lián)的關(guān)系，R1和R2為主環(huán)和副環(huán)的輸入值，E1和E2為主環(huán)和副環(huán)的偏差值，即輸入與反饋量的差值，C1、C2為主環(huán)和副環(huán)的輸出值，GD1和GD2是外部擾動(dòng)表達(dá)式，D1、D2為外部擾動(dòng)源，D2和D1分別加載在副環(huán)和主環(huán)輸出端；系統(tǒng)投入運(yùn)行并穩(wěn)定后，采集主對象、副對象、副控制器的輸出以及對應(yīng)時(shí)刻，作為四組數(shù)據(jù)序列c1、c2、m2、t，四組數(shù)據(jù)序列中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)須一致，設(shè)為N；2)信號(hào)變換并選擇模型：對步驟1)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行拉氏變換，并進(jìn)行積分項(xiàng)累加，獲得外環(huán)、內(nèi)環(huán)頻率響應(yīng)特性G1，G2；根據(jù)工業(yè)過程對象具有高階，大滯后特點(diǎn)，選擇二階加純滯后模型作為控制對象模型，二階加純滯后模型為G(s)=1as2+bs+ce-Ls,]]>其中a,b,c為參數(shù)，L無因次純滯后；3)利用二階加時(shí)滯模型來建模串級(jí)系統(tǒng)，運(yùn)用迭代方式得到穿越頻率ωc，(O，ωc)即為模型的重要頻率段，再選取p個(gè)不同頻率點(diǎn)的相角和幅值數(shù)列來匹配此模型，根據(jù)線性最小二乘法得到模型參數(shù)a,b,c和無因次純滯后L，最后獲得主、副環(huán)傳遞函數(shù)模型G1(s)和G2(s)；4)對確定后主、副環(huán)傳遞函數(shù)模型進(jìn)行內(nèi)?？刂品椒ǚ纸猓诜纸夂罂赡娴淖钚∠辔荒嫔显黾訛V波器，再根據(jù)等效變換原則，反饋控制與內(nèi)?？刂乒餐饔孟碌玫街?、副控制器的實(shí)現(xiàn)形式；5)步驟4)主、副控制器的基礎(chǔ)上，通過將其近似成PID形式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)模PID控制器，得到最終主、副控制器F1(s)和F2(s)：F2(s)=a2s3+b2s2+c2s(λ2s+1)r2-e-L2s]]>F1(s)=(λ2s+1)r2(a1s2+b1s2+c1s)e-L2s[(λ1s+1)r1-e-L1s],]]>其中λ1、λ2分別為主、副控制器中濾波器時(shí)間常數(shù)，a1、b1、c1、d2、b2、c2為用步驟3)可確定的主、副控制器中參數(shù)；每個(gè)控制器都有一個(gè)可調(diào)參數(shù)λ，它決定了系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)速度，外環(huán)控制器用于設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)和抗一次擾動(dòng)，內(nèi)環(huán)控制器用于抗二次擾動(dòng)，λ1、λ2分別選擇，λ1、λ2應(yīng)小于十倍的相應(yīng)開環(huán)時(shí)間常數(shù)。所述步驟4)具體實(shí)現(xiàn)方法如下：模型進(jìn)行內(nèi)模控制方法分解為：G(s)＝G-(s)G+(s)，其中，G(s)為模型中包含純滯后和不穩(wěn)定零點(diǎn)的部分，即不可逆部分；G(s)為模型中的最小相位部分，即可逆部分，定義內(nèi)模控制器為：Q(s)＝f(s)/G-(s)其中，f(s)為低通濾波器，f(s)＝1/(λs+1)rr選擇足夠大來保證Q(s)的可實(shí)現(xiàn)性，λ為濾波器時(shí)間常數(shù)，是內(nèi)模控制中的可調(diào)參數(shù)；根據(jù)等效變換原則，反饋控制與內(nèi)模控制有如下的關(guān)系：C(s)=Q(s)1-Q(s)G(s)]]>根據(jù)上面的公式，則推出副控制器實(shí)現(xiàn)形式：GC2(s)=Q2(1-G2Q2)=G2--1(s)(λ2s+1)r2+G2+(s)]]>主控制器的形式：GC1(s)=Q11-G1Q1=(λ2s+1)r2G1-G2+[(λ1s+1)r1-G1+].]]>本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于大數(shù)據(jù)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)及內(nèi)模控制方法，實(shí)現(xiàn)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)頻域建模方法。該方法解決了經(jīng)典開環(huán)方法難以應(yīng)用于實(shí)際的問題，其模型辨識(shí)精度也優(yōu)于一般方法，同時(shí)還具有一定的實(shí)際可操作性，使系統(tǒng)辨識(shí)從理論向應(yīng)用更進(jìn)一步。在模型辨識(shí)的基礎(chǔ)上。附圖說明圖1為本發(fā)明串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明某實(shí)際工業(yè)過程示意圖；圖3為本發(fā)明一體化控制策略的控制效果圖。具體實(shí)施方式基于大數(shù)據(jù)的串級(jí)系統(tǒng)閉環(huán)辨識(shí)及內(nèi)?？刂品椒?，具體包括如下步驟：1、數(shù)據(jù)采集：如圖1所示串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖，圖中G1、G2為主控制對象和副控制對象表達(dá)式，GC1和GC2為主、副控制器表達(dá)式，控制對象和對應(yīng)的控制器都是串聯(lián)的關(guān)系，主控在外環(huán)稱為主環(huán)，副控在內(nèi)環(huán)稱為副環(huán)；R1和R2為主環(huán)和副環(huán)的輸入值，E1和E2為主環(huán)和副環(huán)的偏差值，即輸入與反饋量的差值，C1、C2為主環(huán)和副環(huán)的輸出值，GD1和GD2是外部擾動(dòng)表達(dá)式，D1、D2為外部擾動(dòng)源，D2和D1分別加載在副環(huán)和主環(huán)輸出端。在系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)下(即控制器投自動(dòng)，正常工況下)，對系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行一個(gè)微小的改變，等待系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。然后，基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采集主對象、副對象、副控制器的輸出以及對應(yīng)時(shí)刻，四組數(shù)據(jù)序列c1、c2、m2、t，這四組數(shù)據(jù)序列中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)須一致，設(shè)為N。2、信號(hào)變換：對采集的主對象、副對象、副控制器的輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行拉氏變換，并進(jìn)行積分項(xiàng)累加，可得到串級(jí)系統(tǒng)主環(huán)和副環(huán)的傳遞函數(shù)為：G1(s)=c1c2≈c1(∞)+jωiΣk=1Ne-jωitk-1Δc1k(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-e-jωiΔtkjωi)-Δc1k-1(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-1jωi)c2(∞)+jωiΣk=1Ne-jωitk-1Δc2k(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-e-jωiΔtkjωi)-Δc2k-1(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-1jωi)]]>公式中帶∞符號(hào)物理量為穩(wěn)態(tài)時(shí)的物理量，帶△的符號(hào)的為該物理量的變化量，ωi為給定任意頻率，j為虛數(shù)單位，△tk為時(shí)刻tk和tk+1的差值，tk為時(shí)刻序列t的第k個(gè)值；G2(jωi)=c2m2≈c2(∞)+jωiΣk=1Ne-jωitk-1Δc2k(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-e-jωiΔtkjωi)-Δc2k-1(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-1jωi)m2(∞)+jωiΣk=1Ne-jωitk-1Δm2k(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-e-jωiΔtkjωi)-Δm2k-1(e-jωiΔtk-1ωi2Δtk-1jωi)]]>m2是副控制器輸出，△m2k是副控制器輸出的瞬態(tài)部分在tk時(shí)刻的值，那么，給定任意頻率ωi即可由上面兩個(gè)公式獲得外環(huán)、內(nèi)環(huán)頻率響應(yīng)特性G1，G2。3、模型選擇：考慮到工業(yè)過程對象大多具有高階，大滯后等特點(diǎn)，故可選擇二階加純滯后模型：G(s)=1as2+bs+ce-Ls,]]>其中a，b，c為參數(shù)，L無因次純滯后。4、確定重要頻率段：本發(fā)明具有穩(wěn)定極點(diǎn)的二階加時(shí)滯模型(SOPDT)來建模串級(jí)系統(tǒng)，對于該模型，其重要頻率段(中、低頻段)位于Nyquist圖(奈奎斯特圖)的II、III象限，即頻率ω＝0到穿越頻率ω＝ωc的頻域范圍?？紤]到相角與頻率ω間的函數(shù)關(guān)系：構(gòu)建如下弦截迭代公式：初值和均為0，ω1取一個(gè)很小的數(shù)，如10-3，經(jīng)過數(shù)次迭代，可以求得穿越頻率ωc，(0，ωc)即為模型的重要頻率段。5、基于線性最小二乘法的模型擬合：可選取p個(gè)不同頻率點(diǎn)的相角和幅值數(shù)列來匹配此模型，即令|G(jωn)|·arg[G(jωn)]=1(jωn)2a+jωnb+ce-jωnL,n=1,2,...,P]]>可寫成矩陣形式：Φθ＝Γ其中：Φ=ω14|G(jω1)|2ω12|G(jω1)|2|G(jω1)|2ω24|G(jω2)|2ω22|G(jω2)|2|G(jω2)|2.........ωP4|G(jωP)|2ωP2|G(jωP)|2|G(jωP)|2]]>Γ=11...1,θ=θ1θ2θ3=a2b2-2acc2]]>根據(jù)線性最小二乘法θ＝(ΦTΦ)-1ΦTΓ可求得θ，進(jìn)而求出模型系數(shù)：abc=±θ1±θ2+2θ1θ3±θ3]]>若對象的輸出隨著輸入增加而增加，則a，b，c都取正；反之取負(fù)。再次利用最小二乘法可獲得無因次純滯后L：ω1ω2...ωP=-arg[G(jω1)]-tan-1(bω1c-aω12)-arg[G(jω2)]-tan-1(bω2c-aω22)...-arg[G(jωP)]-tan-1(bωPc-aωP2)]]>通過計(jì)算上式，可獲得主、副環(huán)傳遞函數(shù)模型G1(s)和G2(s)。6、內(nèi)模控制方法簡述：內(nèi)模控制(InternalModelControl，IMC)是一種基于過程模型的先進(jìn)控制策略，它推動(dòng)了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和魯棒性理論的發(fā)展。由于內(nèi)?？刂菩阅芰己茫谙到y(tǒng)分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，其成為了提高常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的有力工具，并成功應(yīng)用在了工業(yè)過程控制中。基于此，本發(fā)明采用了內(nèi)模控制的思想。一個(gè)穩(wěn)定過程的模型G(s)可以分解為：G(s)＝G-(s)G+(s)其中，G(s)為模型中包含純滯后和不穩(wěn)定零點(diǎn)的部分，即不可逆部分；G(s)為模型中的最小相位部分，即可逆部分，在設(shè)計(jì)IMC控制器的時(shí)候，需在最小相位G(s)的逆上增加濾波器，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。定義IMC控制器(內(nèi)模控制器)為：Q(s)＝f(s)/G-(s)其中，f(s)為低通濾波器，其目的之一是使Q(s)變?yōu)橛欣?，通常選用如下形式：f(s)＝1/(λs+1)r上式中，r應(yīng)選擇足夠大來保證Q(s)的可實(shí)現(xiàn)性。λ為濾波器時(shí)間常數(shù)，是內(nèi)模控制中的可調(diào)參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要在線調(diào)整，這也是內(nèi)?？刂频撵`活之處。根據(jù)等效變換原則，反饋控制與內(nèi)?？刂朴腥缦碌年P(guān)系：C(s)=Q(s)1-Q(s)G(s)]]>內(nèi)環(huán)和外環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Φ2(s)=C2R2=GC2G21+GC2G2]]>Φ1(s)=C1R1=GC1G1C2R21+GC1G1C2R2=GC1GC2G1G21+GC2G2+GC1GC2G1G2]]>7、副控制器的內(nèi)模實(shí)現(xiàn)：根據(jù)上面的公式，則可以推出副控制器實(shí)現(xiàn)形式GC2(s)=Q2(1-G2Q2)=G2--1(s)(λ2s+1)r2-G2+(s)]]>8、主控制器的內(nèi)模實(shí)現(xiàn)：控制器GC2能很好地使內(nèi)回路達(dá)到期望閉環(huán)相響應(yīng)，且Φ2(s)=C2R2=G2+(s)(λ2s+1)r2]]>Φ1(s)=C1R1=GC1G1G2+(s)(λ2s+1)r21+GC1G1G2+(s)(λ2s+1)r2]]>則串級(jí)系統(tǒng)廣義對象的開環(huán)傳遞函數(shù)為：GH(s)1=G1G2+(s)(λ2s+1)r2]]>對其作內(nèi)模分解，可以得到主控制器的形式：GC1(s)=Q11-G1Q1=(λ2s+1)r2G1-G2+[(λ2s+1)r1-G1+]]]>其中λ1、λ2分別為主、副控制器中濾波器時(shí)間常數(shù)。9、主副控制器的PID近似形式：PID控制器由于其算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性好而成為了最常用的控制器，被廣泛用于電力、冶金和輕工業(yè)等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)PID控制器以一組固定不變的PID參數(shù)來解決被控過程參數(shù)變化、干擾等等問題，顯然難以獲得滿意的控制效果，當(dāng)參數(shù)變化超過一定范圍時(shí)，系統(tǒng)的性能會(huì)顯著變差，甚至超出允許的范圍。內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)由Garcia和Morari在1982年提出，基于過程動(dòng)態(tài)模型的求逆，來設(shè)計(jì)控制器的思想從此獲得了工程化，內(nèi)模PID控制器因其具有整定參數(shù)提高了PID控制器的設(shè)計(jì)水平。主、副回路理想控制器(內(nèi)?？刂破?如上，可以通過將其近似成PID形式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)模PID控制器。控制器GC1、GC2可以寫成便于Maclaurin展開的形式，令GC(s)=F(s)s(F(0)+F′(0)s+F′′(0)2s2+...)s]]>考慮到實(shí)際系統(tǒng)的工作頻率段，可略去展開式的高階部分。若PID控制器有如下形式：GC(s)=KC(1+1τ1s+τDs)]]>則可獲得控制參數(shù)：KC＝F′(0）τ1＝F′(0)/F(0)τD＝F″(0)/2F′(0)假設(shè)利用本文辨識(shí)方法求出的串級(jí)系統(tǒng)模型為：G2(s)=e-L2sa2s2+b2s+c2]]>G1(s)=e-L1sa1s2+b1s+c1]]>則對于控制器GC1、GC2有：F2(s)=a2s3+b2s2+c2s(λ2s+1)r2-e-L2s]]>F1(s)=(λ2s+1)r2(a1s3+b1s2+c1s)e-L2s[(λ2s+1)r1-e-L1s]]]>每個(gè)控制器都有一個(gè)可調(diào)參數(shù)λ，它決定了系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)速度。選擇合適的λ1、λ2可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性要求。外環(huán)控制器主要用于設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)和抗一次擾動(dòng)，內(nèi)環(huán)控制器主要用于抗二次擾動(dòng)，所以在絕大多數(shù)情況下，λ1、λ2可以分別選擇，且大體來說，λ1、λ2應(yīng)小于十倍的相應(yīng)開環(huán)時(shí)間常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中也可根據(jù)系統(tǒng)的控制要求來選擇PID/PI或者其他控制器組合，計(jì)算公式同上不變。結(jié)合一個(gè)實(shí)例闡述本發(fā)明的具體實(shí)施方法，自然循環(huán)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的加熱設(shè)備，可生產(chǎn)蒸汽來發(fā)電和提供熱能。從控制的角度講，鍋爐對象常具有非線性、大慣性、大滯后性等特點(diǎn)。除此之外，實(shí)際工業(yè)過程中也存在多種隨機(jī)擾動(dòng)。所以，常規(guī)的單回路控制很難達(dá)到理想的控制效果。現(xiàn)考慮對自然循環(huán)鍋爐的過熱蒸汽出口溫度進(jìn)行串級(jí)控制。包括對出口溫度(主對象)-煙氣含氧量(副對象)串級(jí)控制系統(tǒng)的模型辨識(shí)和主副控制器參數(shù)整定(注：本發(fā)明適用性較廣，且對副對象選擇沒有特別要求)。典型的自然循環(huán)鍋爐工藝流程圖如圖2其中，過程輸入為燃油流量入口閥門開度(FV1104)，過程輸出為主對象一過熱蒸汽出口溫度(TI1103)和副對象-煙氣含氧量(AI1101)。先初始化各參數(shù)及設(shè)定值為160℃，待系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行穩(wěn)定后，改設(shè)定值為180℃，待系統(tǒng)再次運(yùn)行穩(wěn)定后，對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲得主、副對象、副控制器的輸出以及時(shí)刻值，包括四組數(shù)據(jù)序列c1、c2、m2、t。利用本發(fā)明的辨識(shí)算法，計(jì)算出該串級(jí)控制系統(tǒng)的對象模型為：G1(s)=-1401.49s2+225.39s+1.65e-4.33s]]>G2(s)=-10.15s2+1.21s+0.05e-54.60s]]>其重要頻率段分別為(0，0.239),(0，0.043)，有了模型G1,G2的表達(dá)式后，再根據(jù)本發(fā)明提出的控制器參數(shù)計(jì)算公式，可獲得主、副PID控制器參數(shù)分別為：和設(shè)置好兩個(gè)控制器參數(shù)后，將控制器模式調(diào)為Auto，遵從無擾動(dòng)切換原則，依次閉環(huán)內(nèi)回路和外回路，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。為了驗(yàn)證該控制方案的可行性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對該串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行如表1所示的多種擾動(dòng)測試，圖3顯示了在擾動(dòng)測試下，各回路趨勢圖，由擾動(dòng)測試結(jié)果可以看出，該控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性，在追蹤設(shè)定值和抗隨機(jī)擾動(dòng)方面具有較好的品質(zhì)，也可以證明本發(fā)明的可行性以及優(yōu)越性。表1當(dāng)前第1頁1 2 3