本發(fā)明涉及化工生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng),針對化工生產(chǎn)中帶有大時滯輸出可測量的開環(huán)穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過程,以最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論為基礎(chǔ),提出一種基于廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)的預(yù)測輸出兩自由度控制方法,屬于工業(yè)過程控制
技術(shù)領(lǐng)域:
:。
背景技術(shù):
::在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中,時滯現(xiàn)象普遍存在于生產(chǎn)過程操作和系統(tǒng)響應(yīng)。時滯系統(tǒng)是指生產(chǎn)物料、能量、信號在傳遞過程中存在時間延遲的系統(tǒng),例如蒸汽和流體在管道中的流動,化合反應(yīng)溶液溫度升、降溫過程中的滯后效應(yīng),電氣和通訊信號在長傳輸線上的滯后收發(fā)等。對于一個工業(yè)時滯控制系統(tǒng),時滯可能存在于輸入調(diào)節(jié)器執(zhí)行、輸出傳感器測量、以及檢測和控制信號的傳輸過程中,也可能是由被控對象本身的機理造成。時滯的存在對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響,會帶來相應(yīng)的輸出響應(yīng)滯后和波動,甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般而言,控制系統(tǒng)的性能對于時滯比較敏感,時滯系統(tǒng)難以控制的主要原因包括:(1)當(dāng)存在擾動時,引起的不利影響需要經(jīng)過一段時滯才能檢測到;(2)控制變量在經(jīng)過時滯后才能做出相應(yīng)的控制響應(yīng);(3)控制動作與誤差信號時刻不匹配。因此,RichardJP在控制領(lǐng)域國際權(quán)威期刊發(fā)表的綜述文獻(xiàn)Time-delaysystems:anoverviewofsomerecentadvancesandopenproblems(Automatica,2003,39(10):1667-1694)中明確指出采用傳統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)很難達(dá)到較為滿意的控制效果。近年來,針對時滯系統(tǒng)的研究受到越來越多的學(xué)者的關(guān)注,基于傳統(tǒng)的閉環(huán)單位反饋PID控制結(jié)構(gòu),Wang和Cai在文獻(xiàn)Advancedproportional-integral-derivativetuningforintegratingandunstableprocesseswithgainandphasemarginspecifications(Industrial&EngineeringChemistryResearch,2002,41(12):2910-2914)中基于相位裕度和增益裕度提出了基于經(jīng)濟簡單的PID控制器整定方法,該方法可應(yīng)用于小時滯的生產(chǎn)過程。為了達(dá)到更好的控制效果,基于模型的內(nèi)模控制方法受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用,近年得到了很大的發(fā)展和完善。然而已發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)??刂品椒o法保證積分和不穩(wěn)定系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性。為了克服由傳統(tǒng)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的“水床效應(yīng)”缺點,J.E.Normey-Rico等人在文獻(xiàn)Unifiedapproachforrobustdead-timecompensatordesign(JournalofProcessControl,2009,19(1):38-47)中提出了兩自由度預(yù)估器控制方法,相對于近期發(fā)展的其它控制算法,可以將設(shè)定點跟蹤響應(yīng)和擾動響應(yīng)進行解耦來分別優(yōu)化,從而取得更好的控制性能。PedroAlbertos等人在近期文獻(xiàn)Robusttuningofageneralizedpredictor-basedcontrollerforintegratingandunstablesystemswithlongtime-delay(JournalofProcessControl,2013,23(8):1205-1216)中提出了一種離散域的廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)可以將對象時滯置于閉環(huán)之外,從而消除時滯對反饋控制的影響,但是其雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,不便于控制器設(shè)計。因此,發(fā)展基于廣義預(yù)估器的控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)優(yōu)化方法,對大時滯生產(chǎn)過程調(diào)控優(yōu)化設(shè)定點跟蹤和抗擾性能優(yōu)化具有較好的理論創(chuàng)新性和工程應(yīng)用價值。技術(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是大時滯化工生產(chǎn)過程的預(yù)測輸出兩自由度控制問題,提供了一個基于無時滯輸出響應(yīng)預(yù)測器的兩自由度控制結(jié)構(gòu),給出能用于大時滯穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定型生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。本發(fā)明基于實際工程中常用的采樣系統(tǒng)離散域低階時滯模型,分別對具有時滯響應(yīng)的穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過程提出了離散域兩自由度控制設(shè)計方法。通過提出一個新的廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu),解析地設(shè)計了設(shè)定點跟蹤控制器和閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾控制器,可以分別對系統(tǒng)設(shè)定點跟蹤響應(yīng)和負(fù)載擾動響應(yīng)進行獨立調(diào)節(jié)和優(yōu)化。根據(jù)H2最優(yōu)控制性能指標(biāo)設(shè)計設(shè)定點跟蹤響應(yīng)控制器,閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾控制器是通過提出期望的閉環(huán)系統(tǒng)互補靈敏度函數(shù),反向推導(dǎo)而確定。該控制方案的突出優(yōu)點是設(shè)定點跟蹤響應(yīng)的時域指標(biāo)可以通過單調(diào)地調(diào)節(jié)控制器中唯一的調(diào)節(jié)參數(shù)定量整定。關(guān)于所設(shè)計的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,應(yīng)用小增益定理分析得出在一些典型的模型不確定性情況下,閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠保持魯棒穩(wěn)定性的充要條件,并且利用圖形化數(shù)值分析的方法給出抗干擾控制器中單一的調(diào)節(jié)參數(shù)的整定范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:(1)簡化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)簡化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)是一種可適用于控制穩(wěn)定型、積分型和不穩(wěn)定型大時滯生產(chǎn)過程的一般化控制結(jié)構(gòu)形式。這個控制結(jié)構(gòu)包括三個部分:抗干擾控制器、設(shè)定點跟蹤控制器、無延遲輸出預(yù)估器。通過在該控制結(jié)構(gòu)的預(yù)估器中加入一個濾波器來達(dá)到消除預(yù)估誤差的效果,并在預(yù)估器中引入一個參數(shù)來達(dá)到預(yù)測性能及其魯棒抗擾性之間的平衡。這種控制結(jié)構(gòu)的目的在于通過預(yù)測無時滯輸出響應(yīng),可以在無時滯的情況下來對生產(chǎn)過程進行控制設(shè)計,從而能提高閉環(huán)控制系統(tǒng)性能。(2)設(shè)計抗干擾控制器抗干擾控制器是通過指定期望的閉環(huán)互補靈敏度函數(shù)反推而得。首先給出擾動到輸入之間的傳遞函數(shù),通過將其中隱含的接近單位圓、在單位圓上以及在單位圓之外的極點消除,來得到良好的抗干擾性能。該控制器中只有一個調(diào)節(jié)參數(shù),通過單調(diào)的調(diào)節(jié)該參數(shù)可以方便地達(dá)到閉環(huán)控制性能和魯棒穩(wěn)定性之間的折衷。(3)設(shè)定點跟蹤控制器點跟蹤控制器基于H2最優(yōu)原理,通過零極點對消,得到從設(shè)定點到系統(tǒng)輸出的期望傳遞函數(shù)。在設(shè)定點跟蹤控制器中只有一個調(diào)節(jié)參數(shù),它可以在(0,1)范圍中內(nèi)單調(diào)的調(diào)節(jié),從而達(dá)到設(shè)定點跟蹤性能和需要的控制信號大小之間的折衷。當(dāng)取一個較小的值時,設(shè)定點跟蹤速度就越快,但是控制器的輸出能量需要更大。另外,設(shè)定點響應(yīng)對于對象不確定性會更敏感。相反,如果取一個較大的值,設(shè)定點響應(yīng)速度變慢,相應(yīng)的控制器輸出能量就會減小。為了使控制信號或者輸出響應(yīng)更加平滑,設(shè)定點跟蹤控制器中可以根據(jù)需要設(shè)置一個高階的濾波器。在選擇濾波器階次時,可以先選擇一階低通濾波器。如果控制信號或者輸出響應(yīng)出現(xiàn)較激烈的震蕩現(xiàn)象,可采用更高階次的濾波器來緩解,但代價是輸出響應(yīng)會變慢。附圖說明圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)方框原理圖。圖1中,表示實際的被控對象,即工業(yè)大時滯過程;w和n分別為被控對象輸入端負(fù)載擾動和輸出端負(fù)載擾動;F1(z)和F2(z)為廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu)中的預(yù)估器,其中輸入信號u和輸出信號y分別經(jīng)過F1(z)和F2(z)后相加得到無延遲的輸出信號信號反饋到抗干擾控制器Cf(z)的輸入端;信號r為控制系統(tǒng)的設(shè)定點輸入信號,該信號經(jīng)過設(shè)定點跟蹤控制器Cs(z)后與信號混合后成為抗干擾控制器Cf(z)的輸入信號u;被控對象的輸出檢測信號為y。圖2為期望的無延遲控制結(jié)構(gòu),其中時間延遲被提出到閉環(huán)結(jié)構(gòu)之外。圖3為針對一個具體特定的被控對象,本發(fā)明與其他兩種控制算法的對比圖。圖3中,輸入信號為單位階躍信號,擾動信號w為幅值0.1的階躍信號。其中,圖3(a)示出了輸出響應(yīng)曲線,圖3(b)示出了控制信號曲線。圖4為本發(fā)明的控制算法應(yīng)用于結(jié)晶反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)的升溫實驗效果,并且與近期文獻(xiàn)給出的濾波史密斯預(yù)估器控制方法和二自由度PID控制方法進行了對比。其中,圖4(a)示出了溫度響應(yīng)曲線,圖4(b)示出了加熱功率變化曲線。具體實施方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案,以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作詳細(xì)描述。步驟一:簡化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)如圖1所示簡化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu),其中r和y分別表示設(shè)定點輸入和過程輸出,w為過程輸入端的負(fù)載擾動。過程模型如下其中G(z)表示無延遲部分,d為時間延遲。濾波器F1(z)和F2(z)用于預(yù)估無延遲輸出Cs(z)用于設(shè)定點跟蹤,Cf(z)為閉環(huán)抗干擾控制器。無延遲輸出由當(dāng)前已知信號u、y和模型得出:其中,n(z)表示可測量噪聲;F1(z)和F2(z)形式如下:其中m為中零點的個數(shù),nh為用戶自定義階次,{A,B,C}為的狀態(tài)空間最小實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可以將延遲推出到閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)之外,如圖2所示。其中u,w和n到y(tǒng)之間期望的傳遞函數(shù)如下本發(fā)明可以用于帶有時滯響應(yīng)的穩(wěn)定型、積分型和不穩(wěn)定型工業(yè)過程,其傳遞函數(shù)分別表示如下其中|zp|<1,|zu|>1且|z0|<1。步驟二:設(shè)計抗干擾控制器圖1為簡化的廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu),Cf為閉環(huán)抗干擾控制器,y,u和w之間的傳遞函數(shù)如下為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,同時保證內(nèi)部系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需滿足如下漸進穩(wěn)定約束條件其中η為過程模型接近單位圓或在單位圓外的極點。對于積分過程,有一個極點在單位圓上,條件(15)應(yīng)被替換為負(fù)載擾動w和u之間的期望傳遞函數(shù)如下其中系數(shù)βi(i=1,2,...,l.)由條件(15)和(16)決定,λf為可調(diào)參數(shù)。相應(yīng)地,閉環(huán)控制器可由式(13)反推得到,如下所示注意:當(dāng)z0中含有Z平面負(fù)實部極點時會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象,為解決這一問題,提出如下控制器形式a)穩(wěn)定過程1)|zp|<λf,即zp遠(yuǎn)離單位圓。對于如式(10)所示穩(wěn)定過程,令l=0,由式(17)得將式(10),(20)代入(18)可得閉環(huán)控制器2)|zp|>λf,即zp接近單位圓。對于穩(wěn)定過程,令l=1,由式(17)得將式(22)代入條件(15)和(16)可得將式(10),(22)-(23)代入(18)可得閉環(huán)控制器b)積分過程1)|zp|<λf,即zp遠(yuǎn)離單位圓。對于如式(11)所示積分過程,令l=1,由式(17)得將式(25)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒有負(fù)實部,將式(11),(25)-(26)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實部,由式(19)可得2)|zp|>λf,即zp接近單位圓。對于積分過程,令l=1,由式(17)得將式(29)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒有負(fù)實部,將式(11),(29)-(30)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實部,由式(19)可得c)不穩(wěn)定過程1)|zp|<λf,即zp不在單位圓附近。對于如式(12)所示積分過程,令l=1,由式(17)得將式(33)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒有負(fù)實部,將式(12),(33)-(34)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實部,由式(19)可得2)|zp|>λf,即zp靠近單位圓。對于積分過程,令l=1,由式(17)得將式(29)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒有負(fù)實部,將式(12),(37)-(38)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實部,由式(19)可得步驟三:設(shè)定點跟蹤控制器在閉環(huán)抗干擾控制器Cf(z)設(shè)計完成的情況下,可以得到輸出到設(shè)定點間的傳遞函數(shù)其中Td(z)分解為全通部分TdA(z)和最小相位部分TdM(z),即根據(jù)內(nèi)模理論可得控制器形式如下:其中ng為正整數(shù)使得TdM(z)保持半正則,即分子分母含有相同階次。nf是用戶自定義的階次,λs為可調(diào)參數(shù)。步驟四:整定控制器參數(shù)單調(diào)地增大設(shè)定值跟蹤控制器Cs(z)的調(diào)節(jié)參數(shù)λs使設(shè)定點跟蹤響應(yīng)變慢,提高在有對象不確定性情況下的跟蹤響應(yīng)魯棒性,反之亦然;單調(diào)地增大閉環(huán)反饋控制器Cf(z)的調(diào)節(jié)參數(shù)λs加快閉環(huán)反饋控制性能,但在有對象不確定性情況下會使閉環(huán)魯棒穩(wěn)定性變差,反之亦然;結(jié)合實際升溫裝置的輸出功率限幅條件,通過在線單調(diào)地增大或減小這兩個控制參數(shù)λs和λf,達(dá)到快速無超調(diào)升溫控制效果。步驟5:仿真驗證考察M.R.在文獻(xiàn)Controlofstable,integratingandunstableprocessesbythemodifiedSmithPredictor.(J.ProcessControl,2012,22(1),338-343.)中研究的一個不穩(wěn)定過程:令采樣周期t=0.1s,可得如下離散模型:根據(jù)上述設(shè)計方法,令λ=0.98,可得預(yù)估計如下:其中,c=[1-1.96000.9604]其中,參數(shù)β0,β1,β2由式(38)決定,λs=0.98,λf=0.95。在t=0(s)時在加入一個單位階躍信號作為系統(tǒng)輸入r,t=80(s)時在過程輸入端加入一個反向的單位階躍擾動w,控制效果如圖3所示。圖3(a)為被控過程輸出響應(yīng)曲線,圖3(b)為被控過程的控制信號變化曲線。圖中還示出了M.R.ek等在文獻(xiàn)Controlofstable,integratingandunstableprocessesbythemodifiedSmithPredictor.(J.ProcessControl,2012,22(1),338-343.)中利用PID控制器的控制方法和Y.Chen等在文獻(xiàn)Analyticaldesignofageneralizedpredictor-basedcontrolschemeforlow-orderintegratingandunstablesystemswithlongtimedelay(IET.ControlTheory&Appl.,2016,10(8),884-893)的控制方法,以作比較??梢钥闯霰景l(fā)明的控制方法具有更好的設(shè)定點跟蹤性能和抗干擾性能。步驟六:實驗驗證實驗采用的結(jié)晶反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)模型如下:令采樣周期Ts=3(s),可以得到相應(yīng)的離散模型如下:控制目標(biāo)是將反應(yīng)釜內(nèi)溫度由室溫25攝氏度升高至45攝氏度,令λ=0.98,m=1andnh=2,可以得到如下控制器:其中c=104×[0.25,-0.98,1.4406,-0.9412,0.2306],兩自由度控制器形式如下:其中β1=4/(1-λf)-β2,β0=1-β1-β2,結(jié)合實際升溫裝置的輸出功率限幅條件,可調(diào)參數(shù)設(shè)定為λf=0.9765及λs=0.99。控制效果如圖4中(a)和圖4(b)所示。圖4中(a)為結(jié)晶反應(yīng)釜溶液的溫度響應(yīng)曲線,圖4(b)中為電子加熱管的實際輸出功率。圖中還示出了J.E.Normey-Rico等在文獻(xiàn)Unifiedapproachforrobustdead-timecompensatordesign(J.ProcessControl,2009,19(1),38-47)中控制方法和Q.B.Jin等在文獻(xiàn)AnalyticalIMC-PIDdesignintermsofperformance/robustnesstradeoffforintegratingprocesses:From2-Dofto1-Dof(J.ProcessControl,2014,24(3),22-32)的二自由度PID控制方法的降溫控制效果,以作比較??梢钥吹?,本發(fā)明的控制方法可以顯著提高降溫控制快速性,保證無過調(diào)響應(yīng)并且具有良好的抗干擾性能。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3