專利名稱：一種多輸入多輸出過(guò)程分散pid控制器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，特別是PID控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID 控制，(Proportion Integration Differentiation)又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今 已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要 技術(shù)之一。由于算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)和可靠性高，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程的控制 中。即使在先進(jìn)控制策略層出不窮的今天，PID控制仍然以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整維護(hù)方便、算 法簡(jiǎn)潔明了和操作人員易于接受而占據(jù)著過(guò)程控制中的主導(dǎo)地位，因而使得幾乎所有的工 業(yè)控制系統(tǒng)都把PID控制作為標(biāo)準(zhǔn)的控制算法。隨著控制規(guī)模的擴(kuò)大和控制精度要求的提 高，多輸入多輸出過(guò)程的分散PID控制受到了工業(yè)界的普遍重視，分散控制具有待整定參 數(shù)少，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，而且控制器的設(shè)計(jì)只針對(duì)單個(gè)子過(guò)程，對(duì)其他子過(guò)程的影響 小，便于整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)和修改。但是分散PID控制器參數(shù)的調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)常采用經(jīng)驗(yàn)或試湊 的方法，帶有一定的人為因素，而且要求在分散控制結(jié)構(gòu)下保證整體系統(tǒng)穩(wěn)定和提高控制 的品質(zhì)也給PID控制器的參數(shù)調(diào)整帶來(lái)了一定的困難。為了保證這種控制結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定 性，通常將多個(gè)PID控制器調(diào)節(jié)得比較松弛，但是由此造成控制系統(tǒng)的工作效率比較低，使 得原材料和能源消耗較大，不利于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和運(yùn)行。隨著現(xiàn)代控制理論(智能控制、自適應(yīng) 控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)的研究和應(yīng)用，近期出現(xiàn)了一些智能優(yōu) 化控制理論和PID控制相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，形成了許多形式的智能PID控制器。這些智能 PID控制器具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是這些先進(jìn)的控 制算法被應(yīng)用于多輸入多輸出過(guò)程時(shí)，往往需采用數(shù)值化尋優(yōu)設(shè)計(jì)方法來(lái)整定控制器，數(shù) 據(jù)運(yùn)算量比較大，不便于在線調(diào)節(jié)，同時(shí)由于先進(jìn)控制算法的控制器參數(shù)和實(shí)際過(guò)程對(duì)象 的系統(tǒng)特性缺乏明確的關(guān)聯(lián)意義，因此對(duì)于已熟悉PID參數(shù)調(diào)節(jié)的操作人員來(lái)講，理解先 進(jìn)控制算法的含義比較困難。文〈〈Backstepping—based adaptive PID control》(基于 Backstepping 方夕去 的自適應(yīng) PID 控制，發(fā)表在 IEE Proceeding on Control Theory Applications, 2002, 149(1),54-59.)利用Backst印ping方法，針對(duì)單輸入單輸出過(guò)程設(shè)計(jì)了自適應(yīng)PID控 制器，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局調(diào)節(jié)或跟蹤，并且PID控制器的參數(shù)與 Backstepping設(shè)計(jì)參數(shù)等價(jià)，而B(niǎo)ackstepping設(shè)計(jì)參數(shù)的選取較為簡(jiǎn)單，與常規(guī)的PID控 制器相比具有更好的魯棒性和暫態(tài)特性。因此本發(fā)明利用Backstepping的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方 法來(lái)進(jìn)行多輸入多輸出過(guò)程分散PID控制器的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要 求，提供一種多輸入多輸出過(guò)程分散PID控制器的設(shè)計(jì)方法，將Backstepping結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)Q (^)= ‘ =_^_
“ O1(S) SA1(S) ^+1+L +al0s
其狀態(tài)空間模型為如下形式
卑=X2 M
=Vi(4)
ji^+1 = ~ai0X2 _L -^,^.-1^.+1 +Ui y, = χι
上式是一種特殊形式的下三角系統(tǒng)，可以利用Backst印ping方法來(lái)遞推地設(shè)計(jì)
4
方法和PID控制器相結(jié)合，充分考慮了多變量系統(tǒng)的耦合關(guān)系，消除了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù) 整定中采用經(jīng)驗(yàn)或試湊的人為因素，并且可以實(shí)現(xiàn)在線整定各子控制器的參數(shù)，操作簡(jiǎn)單 方便，在設(shè)定值跟蹤和抗干擾等性能方面能夠達(dá)到明顯改進(jìn)的控制效果。本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括如下具體步驟1)、多輸入多輸出過(guò)程被控對(duì)象采用傳遞函數(shù)矩陣辨識(shí)模型；利用相對(duì)增益矩陣 (Relative Gain Array，簡(jiǎn)稱 RGA)和 Niederlinski 因子(Niederlinski Index，簡(jiǎn)稱 Ni) 進(jìn)行回路配對(duì)；需要指出，這里的辨識(shí)模型是已經(jīng)利用相對(duì)增益矩陣和Niederlinski因子進(jìn)行 回路配對(duì)重新調(diào)整過(guò)的辨識(shí)模型。具體的有關(guān)相對(duì)增益矩陣和Niederlinski因子配對(duì)方 法和辨識(shí)方法可以參見(jiàn)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，在這里不再詳述并假設(shè)辨識(shí)、配對(duì)過(guò)程已經(jīng)完成。多 輸入多輸出過(guò)程被控對(duì)象的傳遞函數(shù)矩陣辨識(shí)模型用下式表示，
(1)其中，Gu(S)是指被控對(duì)象的第i個(gè)輸入到第j個(gè)輸出的傳遞函數(shù)。對(duì)于第i個(gè)控制回路，Ui為過(guò)程的控制輸入(即控制器輸出)，Yii是對(duì)本 回路控制輸入U(xiǎn)i的響應(yīng)，其他回路控制輸入對(duì)第i個(gè)子過(guò)程的作用記作y。i，并且有
N
O)= Σ S C^K(S) Ii是第i個(gè)控制回路的輸出響應(yīng)，并且有Yi (S) = Yii (S)+Yei(S)。
J'Oi第i個(gè)子過(guò)程被控對(duì)象為如下最小相位傳遞函數(shù)形式
Y (s) B (s) Sm' +bim ,Sm'~x +L +bm幼)=志端= :>、；(…)(2)2)、利用Backst印ping方法，推導(dǎo)出各回路分散控制器的傳遞函數(shù)；所述利用Backst印ping方法推導(dǎo)分散控制器的傳遞函數(shù)，對(duì)第i個(gè)控制回路，具 體如下第一步，對(duì)控制輸入施加一個(gè)積分作用-XJ納= SB1^U1(S)，巧為新的控制輸入，
G(S)是巧的Laplace變換，則第i個(gè)子過(guò)程被控對(duì)象的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為如下形式
~Gn(s)KGm(S)
G MOM_Gm(s)LGNN (S)控制器。 第二步，利用Backst印ping方法，遞推地構(gòu)造控制Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制
變量，得到一個(gè)多變量控制器；推導(dǎo)出第i個(gè)控制回路新的控制輸入為 U1 ⑴=[Q10) - SA1 ⑷]E1 (S) + SA1 (S)Yrl O) - [Q1 (s)F, (s) + sA, (s)](5) 其中，F(xiàn)i(S)為下一步用于進(jìn)行分散控制器設(shè)計(jì)的輔助控制變量，
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出過(guò)程分散PID控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟1)、多輸入多輸出過(guò)程被控對(duì)象采用傳遞函數(shù)矩陣辨識(shí)模型，利用相對(duì)增益矩陣和 Niederlinski因子進(jìn)行回路配對(duì)；2)、利用Backst印ping方法，推導(dǎo)出各回路分散控制器的傳遞函數(shù)；3)、分別針對(duì)一階慣性和一階慣性加滯后傳遞函數(shù)模型，將步驟2、的分散控制器等效 成PI和PID型的控制器，并給出PI/PID型控制器的待整定參數(shù)的選取方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征是，多輸入多輸出過(guò)程被控對(duì)象的傳遞函 數(shù)矩陣辨識(shí)模型用下式表示，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述的利用Backstepping方法，推導(dǎo)各 回路分散控制器的傳遞函數(shù)，具體如下第一步，針對(duì)各子過(guò)程，對(duì)控制輸入施加積分作用，將原傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為特殊形式的下 三角狀態(tài)空間模型形式；第二步，利用Backst印ping方法，遞推地構(gòu)造控制Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制變 量，得到一個(gè)多變量控制器；第三步，選取輔助控制變量，消除其他子過(guò)程對(duì)該子過(guò)程的影響，得到分散控制器的傳 遞函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述的步驟幻，針對(duì)一階慣性模型，所 述的步驟幻的分散控制器可等效成一個(gè)PI型的控制器，針對(duì)一階慣性加滯后模型，所述的 步驟幻的分散控制器可等效成一個(gè)PID型的控制器；設(shè)計(jì)的分散PI/PID型控制器的待整 定參數(shù)與Backstepping設(shè)計(jì)參數(shù)等價(jià)，并與過(guò)程被控對(duì)象的傳遞函數(shù)模型參數(shù)相關(guān)。
全文摘要
一種多輸入多輸出過(guò)程分散PID控制器的設(shè)計(jì)方法，用于工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域。包括如下步驟1、多輸入多輸出過(guò)程被控對(duì)象采用傳遞函數(shù)矩陣辨識(shí)模型，利用相對(duì)增益矩陣和Niederlinski因子進(jìn)行回路配對(duì)；2、利用Backstepping方法，推導(dǎo)出各回路分散控制器的傳遞函數(shù)；3、分別針對(duì)一階慣性和一階慣性加滯后傳遞函數(shù)模型，將步驟2的分散控制器等效成PI和PID型的控制器，并給出PI/PID型控制器的待整定參數(shù)的選取方法。本發(fā)明充分考慮了多變量系統(tǒng)的耦合關(guān)系，消除了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)整定中采用經(jīng)驗(yàn)或試湊的人為因素，適用于高維多輸入多輸出過(guò)程。采用本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)在線整定各控制器的參數(shù)，操作簡(jiǎn)單方便，在設(shè)定值跟蹤和抗干擾等性能方面能夠達(dá)到明顯改進(jìn)的控制效果。
文檔編號(hào)G05B11/42GK102063059SQ20111000256
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者張艷, 李翠玲, 范紅 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)