本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制
技術(shù)領(lǐng)域：
：，尤其是涉及一種工業(yè)不穩(wěn)定時滯對象的魯棒二自由度pid控制方法,針對工業(yè)不穩(wěn)定時滯對象，采用二自由度pid控制結(jié)構(gòu)，以直接綜合法為原理。
背景技術(shù)：
：：工業(yè)過程中的不穩(wěn)定時滯對象是普遍存在的，如汽包鍋爐、化學(xué)反應(yīng)器、能源工業(yè)的熱反應(yīng)堆等，不穩(wěn)定時滯對象的控制研究具有重要的實際應(yīng)用價值。對于不穩(wěn)定時滯對象的控制，目前工業(yè)中使用較多的控制器結(jié)構(gòu)仍是比例積分微分(pid)控制器，而實現(xiàn)滿意控制效果的關(guān)鍵在控制器的設(shè)計和控制器參數(shù)的整定。典型的整定方法有ziegler和nichols在optimumsettingsforautomaticcontrollers(trans.asme，1942，65，pp.433-444)一文中提出的z-n法以及cohen和coon在theoreticalconsiderationofretardedcontrol(trans.asme，1953，75，pp.827-834)一文中提出的c-c法，然而，這些方法并不能直接用于不穩(wěn)定對象的控制。為了實現(xiàn)對不穩(wěn)定時滯對象的有效控制，許多學(xué)者和工程專家提出了改進型pid控制方法，yongholee等人在pidcontrollerstuningforintegratingandunstableprocesseswithtimedelay(chemicalengineeringscience，2000，55，3481-3493)一文中提出了一種邁克勞林pid控制方法，該方法利用內(nèi)?？刂圃砗瓦~克勞林級數(shù)近似來計算pid控制器的參數(shù)；antoniovisioli在optimaltuningofpidcontrollersforintegralandunstableprocesses(ieeproc.-controltheoryandappl.，2001，148(2)，pp.180-184)一文中提出了一種基于最優(yōu)誤差積分準則的pid控制方法，其特點是通過遺傳算法優(yōu)化來分別實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)定值響應(yīng)和最優(yōu)擾動響應(yīng)。發(fā)明專利“基于定量單參數(shù)pid控制的化工反應(yīng)器溫度控制方法”(申請?zhí)?01310566915.4)提出了一種定量單參數(shù)pid控制方法，實現(xiàn)反應(yīng)器的溫度控制，通過整定參數(shù)的調(diào)節(jié)折中系統(tǒng)的性能和魯棒性。然而上述方法的控制器結(jié)構(gòu)是一自由度的，無法同時實現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)定值跟蹤性能和擾動抑制性能。值得注意的是，對于一自由度控制器控制的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其響應(yīng)超調(diào)較大(往往超過10％或20％)，這顯然不滿足實際工程對系統(tǒng)性能的要求。wonhuicho等人在文章simpleanalyticproportional-integral-derivative(pid)controllertuningrulesforunstableprocesses(ind.eng.chem.res.，2014，53，5048-5054)一文中基于直接綜合方法和簡單的時滯近似處理提出了一種簡潔二自由度pid控制方法，可以有效控制不穩(wěn)定時滯對象，通過引入設(shè)定值濾波，使系統(tǒng)同時實現(xiàn)優(yōu)越的伺服性能和調(diào)節(jié)性能，但是該方法的缺點是作者將可調(diào)參數(shù)λ固定為λ＝3θ，這使得當相對時滯較小時(θ/τ＜0.4)，參數(shù)λ的取值過于保守，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，當相對時滯較大時(θ/τ＞0.6)，參數(shù)λ的取值相對偏小，無法保證閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種工業(yè)不穩(wěn)定時滯對象的魯棒二自由度pid控制方法，整定公式簡單，便于應(yīng)用，本發(fā)明的關(guān)鍵在于給出了可調(diào)參數(shù)λ的經(jīng)驗公式，并給出了二自由度pid控制的編程實現(xiàn)，使系統(tǒng)同時獲得優(yōu)越的伺服性能和調(diào)節(jié)性能。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種工業(yè)不穩(wěn)定時滯對象的魯棒二自由度pid控制方法，在工控系統(tǒng)辨識出對象模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)所提出的經(jīng)驗公式確定可調(diào)參數(shù)λ值，并根據(jù)對象模型參數(shù)和可調(diào)參數(shù)值計算設(shè)定值濾波器和pid控制器參數(shù)，從而得到控制器的輸出信號。該方法具體為：1)被控量經(jīng)過采樣、濾波、檢測變送和a/d轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，將該數(shù)字信號通過opc總線傳給上位機，上位機根據(jù)該數(shù)字信號對控制對象進行辨識，獲得被控對象的一階慣性加純滯后模型及其參數(shù)值；2)讀取模型參數(shù)值τ和θ，根據(jù)經(jīng)驗公式(1)計算可調(diào)參數(shù)λ值λ＝(3.04θ/τ+1.69)θ(1)3)計算設(shè)定值濾波信號rf(k)，通過判斷數(shù)字量輸入信號的極性來計算誤差信號e(k)；4)讀取模型參數(shù)值k、τ和θ以及可調(diào)參數(shù)值λ，根據(jù)直接綜合方法得到pid控制器參數(shù)kc、ti、td和tf；5)計算當前時刻的輸出控制信號u(k)。所述的一階慣性加純滯后模型g(s)＝ke-θs/(τs-1)，其參數(shù)值k、τ和θ。所述的步驟2)中的經(jīng)驗公式λ是根據(jù)相對時滯θ/τ的變化對象系統(tǒng)性能和魯棒性的影響得到的，經(jīng)過大量的仿真發(fā)現(xiàn)，下表中的經(jīng)驗取值可使閉環(huán)系統(tǒng)獲得較好性能和魯棒性，對這些數(shù)據(jù)進行曲線擬合可得經(jīng)驗公式λ＝(3.04θ/τ+1.69)θ，所述的設(shè)定值濾波信號rf(k)通過公式(2)計算得到，rf(k)＝a1rf(k-1)+a2r(k)+a3r(k-1)(2)其中設(shè)定值濾波信號rf(k)是對連續(xù)域設(shè)定值濾波信號rf(s)＝(λs+1)/(βs+1)r(s)的離散化，rf(k)的系數(shù)值a1、a2和a3分別為：a1＝β/(β+ts)，a2＝(λ+ts)/(β+ts)，a3＝-λ/(β+ts)，β為直接綜合法超前項系數(shù)值，ts為調(diào)節(jié)時間，λ為可調(diào)參數(shù)，rf(k)為k時刻設(shè)定值濾波信號，rf(k-1)為k-1時刻設(shè)定值濾波信號，r(k)為k時刻設(shè)定值信號，r(k-1)為k-1時刻設(shè)定值信號。所述的誤差信號e(k)計算如下：如果數(shù)字信號的極性是正作用，則誤差信號e(k)＝y(tǒng)(k)-rf(k)；如果數(shù)字信號的極性是負作用，則誤差信號e(k)＝rf(k)-y(k)；其中y(k)為k時刻輸出信號。所述的控制器參數(shù)kc、ti、td和tf的表達式為：kc＝β/(k(β-2λ-θ/2))，ti＝β，td＝θ/2，tf＝0.1τd(3)k為控制對象增益，β為直接綜合法超前項系數(shù)值，λ為可調(diào)參數(shù),θ為控制對象純滯后，kc為控制器增益，ti為控制器積分時間，td為控制器微分時間，tf為控制器濾波時間常數(shù)。公式(3)所采用的pid控制結(jié)構(gòu)是串聯(lián)pid控制器，即c(s)＝kc(1+1/(tis))(tds+1)/(tfs+1)，將連續(xù)域pid控制輸出信號u(s)＝kc(1+1/(tis))(tds+1)/(tfs+1)e(s)離散化，得到離散域控制信號增量δu(k)的表達式為：δu(k)＝b1δu(k-1)+b2e(k)+b3e(k-1)+b4e(k-2)(4)其中b1＝tf/(tf+ts)，b3＝-kc(2titd+tits+tdts)/(ti(tf+ts))，b4＝kctd/(tf+ts)(5)ts為調(diào)節(jié)時間，δu(k)為當前k時刻控制器輸出信號增量，δu(k-1)為k-1時刻控制器輸出信號增量，e(k)為當前k時刻跟蹤誤差，e(k-1)為k-1時刻跟蹤誤差，e(k-2)為k-2時刻跟蹤誤差，s為拉普拉斯變量，e(s)為頻域誤差信號，b1、b2、b3和b4為控制信號增量δu(k)的系數(shù)值。所述的u(k)根據(jù)公式u(k)＝u(k-1)+δu(k)計算得到。對所述的u(k)進行限幅，防止積分飽和，由d/a轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對象，使被控對象運行在給定的范圍內(nèi)，同時原始數(shù)據(jù)系列向前滾動一個單元，如此循環(huán)實現(xiàn)控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1)本發(fā)明經(jīng)驗公式λ的選取考慮了相對時滯的變化對系統(tǒng)魯棒性的影響，增加了設(shè)定值濾波，顯著改善了系統(tǒng)的設(shè)定值跟蹤性能。給出了可調(diào)參數(shù)的簡單經(jīng)驗公式，并且控制器參數(shù)的表達式非常簡潔，可廣泛應(yīng)用于能源、石化、冶金、輕工、紡織和醫(yī)藥等生產(chǎn)過程控制。2)通過引入設(shè)定值濾波實現(xiàn)二自由度控制功能，并給出了具體實現(xiàn)步驟。附圖說明圖1為本發(fā)明方法的工作流程圖；圖2為可調(diào)參數(shù)(λ＝3θ)與閉環(huán)系統(tǒng)魯棒性關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明實例的標稱系統(tǒng)響應(yīng)曲線；圖4是本發(fā)明實例的魯棒控制效果圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。將本發(fā)明提出的控制方法用于一個化工反應(yīng)器溫度控制對象，其目的是根據(jù)反應(yīng)器中的反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)原理，及時調(diào)整熱水閥，蒸汽閥，以及冷卻閥的開度以滿足系統(tǒng)對溫度控制的要求。工業(yè)系統(tǒng)的主機部分采用研華工控機，實現(xiàn)控制器功能。執(zhí)行器是噴水減溫器的調(diào)節(jié)閥，采用zbjv精密電磁閥。傳感器是專門用于化工廠等特殊場合的耐腐型耐磨型熱電阻wzpn-230。由rtu-88組態(tài)硬件實現(xiàn)a/d、d/a轉(zhuǎn)換。具體實施步驟如下：1、首先被控量(冷卻模型輸出)在經(jīng)過采樣濾波、檢測變送和a/d轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將該數(shù)字信號經(jīng)過opc總線傳輸?shù)缴衔粰C(研華工控機dcs系統(tǒng))，通過閉環(huán)辨識方法得到模型的傳遞函數(shù)：g(s)＝0.96e-0.39s/(0.98s-1)，即模型參數(shù)分別為：k＝0.96，τ＝0.98，θ＝0.39，并將這些參數(shù)值送到主機中存儲。2、讀取模型參數(shù)值τ和θ，根據(jù)經(jīng)驗公式(1)計算可調(diào)參數(shù)值λ＝(3.04θ/τ+1.69)θ＝1.1309。3、根據(jù)公式(2)計算設(shè)定值濾波值rf(k)＝0.9937rf(k-1)+0.2456r(k)-0.2393r(k-1)，通過判斷數(shù)字量輸入信號的極性來計算誤差信號e(k)：如果數(shù)字信號的極性是正作用，則誤差信號e(k)＝rf(k)-y(k)；e(k)＝-e(k)；如果數(shù)字信號的極性是負作用，則誤差信號e(k)＝rf(k)-y(k)。4、讀取模型參數(shù)值k、τ、θ和可調(diào)參數(shù)值λ以及采用時間ts，根據(jù)公式(4)和公式(5)計算控制信號增量δu(k)：δu(k)＝0.3939δu(k-1)+9.9925e(k)-18.5893b3e(k-1)+8.6052e(k-2)。5、根據(jù)公式u(k)＝u(k-1)+δu(k)計算當前時刻的輸出控制信號u(k)。6、對u(k)進行限幅，防止積分飽和，使得噴水控制閥運行在給定的范圍內(nèi)，得到符合化工反應(yīng)器溫度要求的蒸汽或者冷水，同時原始數(shù)據(jù)系列向前滾動一個單元，如此循環(huán)實現(xiàn)控制。當模型精確的時候，閉環(huán)系統(tǒng)的標稱響應(yīng)如圖3所示。當對象參數(shù)發(fā)生攝動時(假設(shè)存在+10％的時滯建模誤差)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4所示。圖3表明，當模型精確時，一自由度pid控制的超調(diào)量太大(95％)，不滿足實際系統(tǒng)對系統(tǒng)性能的要求；當對象參數(shù)發(fā)生攝動時，一自由度pid控制系統(tǒng)的超調(diào)量增加為118.5％，控制性能進一步惡化，而二自由度pid控制始終可以取得滿意的控制效果，閉環(huán)響應(yīng)幾乎沒有超調(diào)，并且響應(yīng)曲線比較平滑，系統(tǒng)可以同時獲得優(yōu)越的跟蹤性能和調(diào)節(jié)性能。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
：的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。當前第1頁12當前第1頁12