基于靜態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)目癸柡蛢?nèi)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于靜態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)目癸柡蛢?nèi)模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括抗飽和 內(nèi)模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方法，主要應(yīng)用于控制工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實(shí)際的工業(yè)控制中，輸入飽和現(xiàn)象是普遍存在的。例如，帶有閥門(mén)的管道流量， 最大只能到達(dá)閥門(mén)開(kāi)度為100%的流量值，無(wú)法突破；再例如，泵能夠輸出的流量，最大只 能達(dá)到泵轉(zhuǎn)速最大時(shí)的流量值，這也無(wú)法無(wú)限制的增加。種種實(shí)際案例表明，在工業(yè)中普遍 含有輸入飽和現(xiàn)象。
[0003] 然而，輸入飽和現(xiàn)象，對(duì)于控制系統(tǒng)控制效果的影響的是不可忽略的。這是因?yàn)椋?輸入飽和現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致控制器的輸出與對(duì)象的輸入不相等，使得對(duì)象的輸出要慢于控 制器預(yù)期的輸出，控制效果變差。如圖2的曲線2和曲線3,可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)象出現(xiàn)輸入飽和 現(xiàn)象（如曲線2)時(shí)，對(duì)象輸出的斜率是有限制的，小于無(wú)輸入飽和現(xiàn)象的輸出曲線（如曲 線3)，以至于對(duì)象輸出的調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng)，控制性能下降，這就造成實(shí)際工業(yè)過(guò)程中原料的浪 費(fèi)增加，污染物排放增加。
[0004] 針對(duì)具有輸入飽和現(xiàn)象的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)，前人已經(jīng)有了一定的研宄成 果。而基于內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的抗飽和策略，應(yīng)用較為廣泛的是Kothare等在"AUnified FrameworkfortheStudyofAnti-ffindupDesigns.ControlandDynamical System. 1993"中提出的，主要思想是通過(guò)對(duì)飽和結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，提出了抗飽和無(wú)擾動(dòng)轉(zhuǎn)換 (AWBT)結(jié)構(gòu)，用以減小飽和帶來(lái)的影響。上述這兩種方法是目前大多數(shù)抗飽和內(nèi)?？刂破?設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
[0005] 就基于補(bǔ)償思想的抗飽和控制的專利方面，王景成等在2005年發(fā)表了"誤差反 饋抗飽和靜態(tài)補(bǔ)償控制器及補(bǔ)償器的確定方法"（申請(qǐng)?zhí)?200410066784. 4)。該發(fā)明利用 Mulder等在"Multivariableanti-windupcontrollersynthesisusinglinearmatrix inequalities.Automatica. 2001，37:1407-1416" 發(fā)表的基于線性矩陣不等式進(jìn)行AWBT結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加誤差反饋回路，改善控制器的控制效果。
[0006] 然而，現(xiàn)有的抗飽和控制技術(shù)仍存在一些缺點(diǎn)。首先，基于線性矩陣不等式的AWBT 抗飽和控制策略，主要以狀態(tài)空間模型為研宄基礎(chǔ)，對(duì)于工程師的理解較為困難。其次，上 述方法需要建立線性矩陣不等式，過(guò)程復(fù)雜，且要保證理想的控制效果需要有精確的被控 對(duì)象模型。再次，王景成等通過(guò)手動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)補(bǔ)償器，難以保證對(duì)象輸出達(dá)到最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種抗飽和的內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方 法，該方法主要依據(jù)靜態(tài)補(bǔ)償?shù)乃枷脒M(jìn)行抗飽和補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)是在已有的內(nèi)?？?制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了 3個(gè)靜態(tài)補(bǔ)償回路；同時(shí)采用智能優(yōu)化算法，確定3個(gè)補(bǔ)償回路中補(bǔ) 償器的參數(shù)。
[0008] 基于靜態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)目癸柡蛢?nèi)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟：
[0009] 第一步，按照傳統(tǒng)內(nèi)?？刂破鞣椒ㄔO(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破鱍，構(gòu)成基礎(chǔ)的內(nèi)?？刂苹芈?；
[0010] 第二步，觀察控制器輸出和對(duì)象輸入，判斷控制器輸出是否超出對(duì)象輸入飽和范 圍，若超出，則在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的內(nèi)?？刂苹芈飞显黾?個(gè)靜態(tài)前饋補(bǔ)償回路，在這3個(gè)補(bǔ)償 回路中，分別含有3個(gè)靜態(tài)補(bǔ)償器，即
[0011] (1)輸出靜態(tài)前饋補(bǔ)償器&，該補(bǔ)償器補(bǔ)償了由輸入飽和現(xiàn)象引起的動(dòng)態(tài)過(guò)程中， 實(shí)際輸出比預(yù)期輸出減小的部分；
[0012] (2)輸入靜態(tài)前饋補(bǔ)償器K2，該補(bǔ)償器補(bǔ)償了由輸入飽和現(xiàn)象引起的控制器輸出 大于對(duì)象輸入的部分；
[0013] (3)偏差靜態(tài)前饋補(bǔ)償器K3，該補(bǔ)償器補(bǔ)償了由輸入飽和現(xiàn)象引起的控制器輸入 偏差增大的部分；
[0014] 第三步，通過(guò)任意智能優(yōu)化算法來(lái)確定靜態(tài)補(bǔ)償器Ki、K2、K3的參數(shù)數(shù)值。
[0015] 下面首先分析輸入飽和現(xiàn)象對(duì)對(duì)象輸出響應(yīng)y的影響，該分析方法不只局限于抗 飽和內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)。輸入飽和現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響主要是在控制器輸出u超出對(duì)象 輸入飽和范圍[u，u]的階段。其中，u和u分別表示輸入飽和值的下限和上限。此時(shí)，對(duì)象 輸入u'不等于控制器輸出u，而是等于輸入飽和值。而一旦控制器輸出u在對(duì)象輸入飽和 范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)象的輸入u'就等于控制器輸出u。
[0016] 在控制器輸出處于飽和階段時(shí)，若以上限飽和為例，對(duì)象輸入u'會(huì)小于控制器輸 出u，這就導(dǎo)致對(duì)象的輸出y比預(yù)期的輸出小。另外，由于處于飽和時(shí)期所輸入的控制能量 E小于實(shí)際所需要的控制能量E'，使得帶有飽和現(xiàn)象的對(duì)象輸出y比無(wú)飽和的對(duì)象輸出響 應(yīng)慢。實(shí)際上，由于反饋回路的存在，飽和現(xiàn)象還不僅只影響控制器輸出u和對(duì)象輸出y，它 同時(shí)還影響控制器的輸入e。這是因?yàn)樵谳斎腼柡推陂g，對(duì)象的輸出y比預(yù)期的輸出小，導(dǎo) 致實(shí)際控制器的輸入e = r-y比預(yù)期的大，造成了更大的偏差。總結(jié)地說(shuō)，由于飽和現(xiàn)象的 存在，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
[0017] 1)使得處于飽和階段的對(duì)象輸入小于實(shí)際所需的對(duì)象輸入。
[0018] 2)使得處于飽和階段的對(duì)象輸出小于實(shí)際需要達(dá)到的對(duì)象輸出。
[0019] 3)使得處于飽和階段的控制器輸入大于實(shí)際需要的控制器輸出。
[0020] 綜上分析，為了提升帶有飽和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)當(dāng)對(duì)該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。 按照定性分析的結(jié)果，應(yīng)該根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三種補(bǔ)償。
[0021] 首先，處于飽和階段的對(duì)象輸出小于實(shí)際需要達(dá)到的對(duì)象輸出，將設(shè)定值與對(duì)象 輸出的偏差引入控制器輸出以補(bǔ)償由對(duì)象輸出減小引起的偏差。
[0022] 其次，將控制器輸出與對(duì)象輸入的差看做是一種干擾，這是引起控制器控制效果 的主要原因。利用前饋的思想，將這種干擾補(bǔ)償至控制器輸出端。然而由于飽和特性的非 線性特性，本發(fā)明中采用靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑa(bǔ)償飽和特性對(duì)控制器輸出的影響。
[0023] 最后，控制器輸出與對(duì)象輸入的差異，還間接使控制器輸入提高，所以該偏差也同 時(shí)需要被補(bǔ)償。補(bǔ)償方式是將控制器輸入與對(duì)象輸入的差引入控制器輸入端，同樣采用的 是靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞健?br>[0024] 所以，在這種基于定性分析的前饋抗飽和的內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)方法中，需要加入三 個(gè)靜態(tài)前饋補(bǔ)償回路及補(bǔ)償器，分別是I，1( 2和K 3。圖1給出了本發(fā)明所介紹的抗飽和內(nèi)模 控制結(jié)構(gòu)。
[0025] 補(bǔ)償系數(shù)心士，K3的不同，會(huì)造成輸出的不同效果。如圖2,曲線1是系統(tǒng)在無(wú)飽 和現(xiàn)象時(shí)的輸出曲線，而曲線2是系統(tǒng)在有飽和現(xiàn)象時(shí)，未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)妮敵銮€。按照補(bǔ)償 的程度可以將補(bǔ)償分為以下幾種：
[0026] 如曲線3,如果補(bǔ)償器補(bǔ)償合理，使得在系統(tǒng)輸出在控制器進(jìn)入飽和區(qū)域內(nèi)時(shí)與無(wú) 飽和現(xiàn)象時(shí)的響應(yīng)相同，這種狀態(tài)被稱為理想補(bǔ)償狀態(tài)。
[0027] 如曲線4,如果補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)牟粔?，使得系統(tǒng)的輸出沒(méi)有無(wú)飽和現(xiàn)象時(shí)響應(yīng)那么 快，這種現(xiàn)象被稱為欠補(bǔ)償狀態(tài)。
[0028] 如曲線5,如果補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)奶啵沟孟到y(tǒng)的輸出比無(wú)飽和現(xiàn)象時(shí)響應(yīng)快，這種 狀態(tài)被稱為過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。
[0029] 從對(duì)象輸入看上述的幾種狀態(tài)，如圖3所示，曲線1是無(wú)對(duì)象輸入飽和時(shí)，對(duì)象的 輸入曲線，曲線2是含有對(duì)象輸入飽和但未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)對(duì)象的輸入曲線?？梢钥闯?，在含有 對(duì)象輸入飽和現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)控制器輸出大于對(duì)象的飽和范圍，對(duì)象輸入等于輸入飽和值，而當(dāng) 控制器輸出在對(duì)象飽和范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)象輸入等于控制器輸出。
[0030] 在對(duì)控制器輸出進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，可以看出，在理想補(bǔ)償狀態(tài)，一旦由輸入飽和現(xiàn)象引 起的控制器輸出缺失被補(bǔ)償足夠，控制器輸出就與無(wú)輸入飽和時(shí)的控制器輸出相同（如曲 線3)。而欠補(bǔ)償狀態(tài)，其補(bǔ)償?shù)目刂破鬏敵鲂∮谟娠柡同F(xiàn)象引起的輸出缺失（如曲線4)， 過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)則反之（如曲線5)。一般來(lái)講，如果不采用多控制器進(jìn)行切換控制，想要達(dá)到理 想補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)的，但多控制器切換控制設(shè)計(jì)復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)困難，且還會(huì)出現(xiàn)其 他不可預(yù)料的事故，故很少采用。在本發(fā)明中，將補(bǔ)償器整定為欠補(bǔ)償狀態(tài)或過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。
[0031] 如果系統(tǒng)被補(bǔ)償處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，能夠加快系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，但是如果補(bǔ)償過(guò)多， 系統(tǒng)響應(yīng)有可能出現(xiàn)震蕩，這是不允許的。導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)震蕩的主要原 因是補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用過(guò)多，所以在設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的過(guò)程中一定要十分注意補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)， 否則將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。
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