[發(fā)明專利]基于組合積分控制器與雙重控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710727013.2
• 申請(qǐng)日: 2017-08-22
• 公開（公告）號(hào): CN107367939A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 倪瀟;任正云;陳安鋼;汪文斌;劉志明;閆子豪;張丙昌;郭鴻宇;王靚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,吳小麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及流程工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于組合積分控制器與雙重控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法。

背景技術(shù)

在當(dāng)今的煙草、石油、化工等常見的工業(yè)過程中，傳統(tǒng)PID控制器仍然是應(yīng)用范圍最為廣泛的一種控制器。然而，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用如煙草加工等過程中，常常存在著多種干擾因素，且被控對(duì)象通常還存在大滯后與強(qiáng)非線性的情況。當(dāng)前，在大量的工業(yè)過程中，這些對(duì)象通常被近似為一階環(huán)節(jié)，并使用簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)以及傳統(tǒng)PID控制器對(duì)其進(jìn)行控制。這種方法能夠基本滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求。但隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、加工精度及能源消耗控制等因素的要求越來越嚴(yán)格，簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)以及基于傳統(tǒng)PID控制器的控制算法已經(jīng)開始變得難以適應(yīng)不斷發(fā)展的工業(yè)需求。

同時(shí)，在流程工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，由于大滯后與強(qiáng)非線性情況的普遍存在，許多被控對(duì)象使用傳統(tǒng)PID控制器都難以得到令人滿意的控制效果，常常具有響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、超調(diào)量較大、穩(wěn)態(tài)誤差較大的特點(diǎn)，且當(dāng)外界干擾作用于控制系統(tǒng)時(shí)，魯棒性能不佳，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致輸出無(wú)法滿足控制要求。因此，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)提出了一系列較為復(fù)雜的先進(jìn)控制理論。其中雙重控制是一種研究較為成熟的控制理論，并且已經(jīng)在如蒸汽減壓、原油溫度控制等實(shí)際工業(yè)過程中得到了應(yīng)用，并取得了較為良好的效果。雙重控制系統(tǒng)具有快慢結(jié)合的特點(diǎn)，同時(shí)，其在處理具有大滯后特性等的控制對(duì)象時(shí)具有較好的抗干擾特性與魯棒性。

另一方面，把工業(yè)過程中的被控對(duì)象近似處理為一階加純滯后環(huán)節(jié)是最常用的方法。在這一方法的基礎(chǔ)上提出了，包括應(yīng)用最為廣泛的傳統(tǒng)PID控制算法，在內(nèi)的多種算法。控制器的參數(shù)整定也是在被控對(duì)象的一階加純滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，使用Z-N經(jīng)驗(yàn)公式法、Cohen-Coon法等得到。在應(yīng)用中，這種方法已經(jīng)被證明越來越難以滿足工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)精確度等方面的需要。因此一些先進(jìn)控制算法的開發(fā)對(duì)于提高生產(chǎn)效率與企業(yè)效益具有重要的意義。

在煙草、鋼鐵、化工等工業(yè)過程中，一些改進(jìn)后的控制算法如Smith預(yù)估控制算法、內(nèi)模控制算法等已經(jīng)部分應(yīng)用于對(duì)大滯后、強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的控制，但其控制性能仍有較大不足之處。因此，對(duì)此類控制對(duì)象的控制問題仍是流程工業(yè)控制環(huán)節(jié)的難點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何進(jìn)一步提高流程工業(yè)領(lǐng)域控制系統(tǒng)的控制性能。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于組合積分控制器與雙重控制系統(tǒng)相結(jié)合的控制方法，雙重控制系統(tǒng)包括主、副控制對(duì)象及分別用于控制主、副控制對(duì)象的主、副控制器，其特征在于：所述主、副控制器均采用組合積分控制器。

優(yōu)選地，所述組合積分控制器的輸入/輸出關(guān)系由下式表示：

其中，τ為控制對(duì)象滯后時(shí)間，K_p為增益、T為積分時(shí)間常數(shù)，e(s)為輸入與輸出之間的偏差，u(s)為輸出。

優(yōu)選地，所述主、副控制器均采用組合積分控制器后的系統(tǒng)控制對(duì)象由組合積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)表示，形式為：

其中，G_i(s)為一不含積分環(huán)節(jié)的穩(wěn)定多項(xiàng)式；對(duì)象的每一項(xiàng)必定包含形式，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，k為增益參數(shù)，τ為滯后時(shí)間；時(shí)滯常數(shù)τ_1i、τ_2i。必須滿足方程：τ_2i＝τ_2(i-1)+τ_1(i-1)，1＜i＜n，以保證對(duì)象響應(yīng)的連續(xù)性，不會(huì)出現(xiàn)突然跳躍。

本發(fā)明將組合積分控制器應(yīng)用于雙重控制系統(tǒng)中的快、慢響應(yīng)回路中，取代原先使用的傳統(tǒng)PID控制器，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量與達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間減小，并提升系統(tǒng)的魯棒性能。組合積分控制器的原理來自于算術(shù)平均值濾波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，使得組合積分控制器具備一定的抗噪聲能力，能夠完全抑制一些特定的周期性信號(hào)。

應(yīng)用上述的技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：本發(fā)明將組合積分控制器與雙重控制系統(tǒng)結(jié)合使用，組合積分控制器的濾波功能提升了系統(tǒng)抑制噪聲的能力。系統(tǒng)能夠迅速達(dá)到穩(wěn)定值，響應(yīng)速度很快，且超調(diào)量很小，幾乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)輸出最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后，當(dāng)加入干擾時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)到原穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的魯棒性能。

附圖說明

圖1為組合積分控制器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為雙重控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明方法控制下存在干擾情況時(shí)系統(tǒng)控制響應(yīng)波形圖；