[發明專利]一種基于虛擬未建模動態補償的液位系統PI控制方法

有效

• 申請號: 201410385307.8
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104166405B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 王良勇;曲鈞天;柴天佑;遲瑛
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G05D9/00
• 分類號: G05D9/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 朱光林

技術領域

本發明屬于自動化設計技術領域，特別涉及一種基于虛擬未建模動態補償的液位系統PI控制方法。

背景技術

在流程工業的液位控制系統中，受到變量測量、物質及信號傳遞等因素的影響，時間滯后現象普遍存在，使得水泵輸出的控制信號延遲作用于系統液位輸出，由此會產生較明顯的超調量和較長的調節時間；與此同時，由于工業過程的液位控制系統結構復雜，系統又往往具有高階特性，采用工業過程應用廣泛的低階PI或PID控制器難以獲得理想的控制效果，綜上分析，無論在理論方面還是工程實踐方面，對高階時滯液位系統的控制都具有極大的挑戰性，如何實現對這類系統的精確穩定控制一直是研究熱點。

盡管Smith預估(SP)和內?？刂?IMC)等方法可以處理系統時滯環節，但只對低階系統適用，且對模型誤差和擾動敏感；現代控制理論中的H₂和H_∞最優控制方法在時滯系統控制方面取得了一些研究成果，但上述方法求得的最優控制器往往階次較高，一般等于或大于高階被控對象的階次，這使得控制器的實現成本較高，很難應用于工業現場。

工業控制的主要目的是確保系統穩定性、優化系統性能，它對控制器的要求是簡單有效、使用方便。相比于以上高級控制算法大多僅限于理論層面的研究，PI或PID控制器由于原理結構簡單、階次低、魯棒性較強等特點在工業過程控制中得到了廣泛的應用，如今95％以上的控制回路仍使用PI或PID控制器。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供一種基于虛擬未建模動態補償的液位系統PI控制方法。

本發明的技術方案是：

一種基于虛擬未建模動態補償的液位系統PI控制方法，包括以下步驟：

步驟1：設定液位目標值，啟動水泵，水泵開始轉動并從蓄水池抽水，水流經流量檢測裝置后進入密封容器或開口容器中；

步驟2：通過密封容器或開口容器中的液位傳感器實時檢測液位高度；

步驟3：建立基于虛擬未建模動態補償的PI控制模型，該模型的輸入為液位目標值和液位高度測量值形成的偏差信號，該模型的輸出是用來驅動執行機構水泵的脈沖寬度調制占空比；

步驟3.1：建立液位系統的低階線性模型：

A(z^-1)y^*(k+1)＝B(z^-1)u(k)

其中，y^*(k+1)為液位系統的低階線性模型輸出，控制量u(k)為用來驅動執行機構水泵的脈沖寬度調制占空比，A(z^-1)、B(z^-1)為液位系統的低階線性模型的參數多項式，A(z^-1)＝1+α₁z^-1，B(z^-1)＝β₀，α₁,β₀均為常數；

步驟3.2：將液位傳感器實時檢測的液位高度與液位系統的低階線性模型輸出的差值作為虛擬未建模動態；

步驟3.3：建立基于虛擬未建模動態補償的液位系統離散模型：

A(z^-1)y(k+1)＝B(z^-1)u(k)+V[x(k)]

其中，V[x(k)]為k時刻的虛擬未建模動態，y(k+1)為液位傳感器實時檢測的液位高度；

基于虛擬未建模動態補償的液位系統離散模型中的液位系統低階線性模型參數多項式A(z^-1)、B(z^-1)是通過對液位系統進行辨識得到或者通過工業過程中的PI參數的經驗值反向求解得到。

步驟3.4：建立基于虛擬未建模動態補償的液位系統PI控制模型：