[發明專利]大時滯化工生產過程的預測輸出兩自由度控制方法

在審

• 申請號: 201710030609.7
• 申請日: 2017-01-17
• 公開（公告）號: CN106873658A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 劉濤;陳越玲;任旭輝;耿新鵬;趙珺;王偉;仲崇權
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05D23/19
• 分類號: G05D23/19
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉

一種大時滯化工生產過程的預測輸出兩自由度控制方法，該技術基于簡化的廣義預估器控制結構設計兩自由度控制系統。該預估控制結構可以預估出無延遲輸出，將延遲提到閉環之外。首先通過提出期望的負載干擾傳遞函數，設計抗干擾控制器，當被控對象受到負載干擾時可以快速地對擾動進行抵消，消除其對系統輸出的影響，能實現輸出的誤差平方積分(ISE)指標最小；其次，根據H2最優控制理論，設計設定點跟蹤控制器，實現快速無超調跟蹤系統輸出設定值或參考曲線。本發明的優點，單調地增大或減小設定值跟蹤控制器的調節參數，可以方便地在控制魯棒性和設定點跟蹤性能之間得到最佳折衷；單調地增大或減小閉環抗干擾控制器的調節參數，可以方便地在控制魯棒性和抗干擾性能之間得到最佳折衷。

技術領域

本發明涉及化工生產過程的控制系統，針對化工生產中帶有大時滯輸出可測量的開環穩定、積分和不穩定過程，以最優控制理論和魯棒控制理論為基礎，提出一種基于廣義預估器控制結構的預測輸出兩自由度控制方法，屬于工業過程控制技術領域。

背景技術

在實際的工業生產過程中，時滯現象普遍存在于生產過程操作和系統響應。時滯系統是指生產物料、能量、信號在傳遞過程中存在時間延遲的系統，例如蒸汽和流體在管道中的流動，化合反應溶液溫度升、降溫過程中的滯后效應，電氣和通訊信號在長傳輸線上的滯后收發等。對于一個工業時滯控制系統，時滯可能存在于輸入調節器執行、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。時滯的存在對生產過程的閉環控制系統會產生很大的影響，會帶來相應的輸出響應滯后和波動，甚至造成閉環系統不穩定。一般而言，控制系統的性能對于時滯比較敏感，時滯系統難以控制的主要原因包括：(1)當存在擾動時，引起的不利影響需要經過一段時滯才能檢測到；(2)控制變量在經過時滯后才能做出相應的控制響應；(3)控制動作與誤差信號時刻不匹配。因此，Richard J P在控制領域國際權威期刊發表的綜述文獻Time-delay systems:an overviewof some recent advances and open problems(Automatica,2003,39(10):1667-1694)中明確指出采用傳統的閉環反饋控制結構很難達到較為滿意的控制效果。近年來，針對時滯系統的研究受到越來越多的學者的關注，基于傳統的閉環單位反饋PID控制結構，Wang和Cai在文獻Advanced proportional-integral-derivative tuning for integrating andunstable processes with gain and phase margin specifications(Industrial&Engineering Chemistry Research,2002,41(12):2910-2914)中基于相位裕度和增益裕度提出了基于經濟簡單的PID控制器整定方法，該方法可應用于小時滯的生產過程。為了達到更好的控制效果，基于模型的內模控制方法受到了越來越多的關注和應用，近年得到了很大的發展和完善。然而已發展的標準內模控制方法無法保證積分和不穩定系統的內部穩定性。為了克服由傳統的單位反饋控制結構具有嚴重的“水床效應”缺點，J.E.Normey-Rico等人在文獻Unified approach for robust dead-time compensator design(Journal ofProcess Control,2009,19(1):38-47)中提出了兩自由度預估器控制方法，相對于近期發展的其它控制算法，可以將設定點跟蹤響應和擾動響應進行解耦來分別優化，從而取得更好的控制性能。Pedro Albertos等人在近期文獻Robust tuning of a generalizedpredictor-based controller for integrating and unstable systems with longtime-delay(Journal of Process Control,2013,23(8):1205-1216)中提出了一種離散域的廣義預估器結構，這個結構可以將對象時滯置于閉環之外，從而消除時滯對反饋控制的影響，但是其雙閉環結構過于復雜，不便于控制器設計。因此，發展基于廣義預估器的控制結構和系統優化方法，對大時滯生產過程調控優化設定點跟蹤和抗擾性能優化具有較好的理論創新性和工程應用價值。