[發明專利]一種比例微分超前智能模型集PID控制器設計方法

有效

• 申請號: 201711358703.1
• 申請日: 2017-12-17
• 公開（公告）號: CN108107713B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 王文新;李全善;王曦
• 申請（專利權）人: 北京世紀隆博科技有限責任公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種比例微分超前智能模型集PID控制器設計方法，在石油化工生產過程中，被控變量往往要求平緩的變化，即使在工藝需要改變生產計劃時，也需要各被控變量平緩地過渡到新的穩態；為防止設定值改變或輸入有高頻干擾信號時造成輸出波動幅度大，嚴重時可造成事故的風險，因此，引入了比例微分超前PID控制，即比例、微分對測量值起作用，僅積分對偏差起作用，避免設定值變化造成的輸出參數大幅波動；

R(s)為回路設定值；Y(s)為被控變量輸出值；為控制器的積分作用部分傳遞函數；T_I為積分時間常數；為比例微分部分傳遞函數，K為比例系數；T_D為微分參數；α為微分放大系數，取值為0.05～0.1；G_P(s)為過程對象傳遞函數；s為拉普拉斯算子；

其特征在于：

為實現控制回路得到有效控制，控制器設計目標為使得控制回路前向通道等價于積分環節相當于閉環控制回路等價于一階慣性環節避免設定值變化造成的輸出參數大幅波動，達到更有利于生產裝置整體平穩運行的目的；

G′_P(s)為名義過程控制對象傳遞函數，

另外，為提升控制器的魯棒性，在控制回路中加入魯棒提升環節

λ為魯棒提升系數，在控制器參數設計階段求得，該魯棒提升系數的適當取值有利于提升回路的魯棒性能及平穩過渡動態性能；對圖3進行等價變換，得到變換后結構；

G_C(s)為所需設計的控制器，控制器的傳遞函數如下：

增加魯棒提升環節后，最終控制器參數設計目標為確定控制器參數K、T_I、T_D，使得控制回路中G_C(s)和G′_P(s)環節的輸入輸出響應等價于一階慣性環節在設定值R(s)改變后，被控變量實現比較理想的平穩過度過程；控制器參數及魯棒提升系數設計采用隨機搜索優化方法。

2.根據權利要求1所述的一種比例微分超前智能模型集PID控制器設計方法，其特征在于：

在控制器設計方法的基礎上，綜合生產控制回路過程對象多時段、多工況的有效模型集，智能選取出適應多種工況的全局優化控制器，解決常規控制器設計方法難以適應工況變化的缺陷，實現在該控制器控制下的回路能夠長期穩定運行，采用該方法設計全局優化控制器回路結構；

(G′_P1(s)，G′_P2(s)，…，G′_Pm(s))為當前回路名義過程對象模型集，表達式如下：

其中，實際的過程對象模型集為(G_P1(s)，G_P2(s)，…，G_Pm(s))，m為模型集中包含模型的數量，i為模型的序號數；

在基于模型集的全局優化智能控制器參數的設計中，采用ITAE即時間乘誤差絕對值積分作為最終最優參數確定指標，該指標計算公式如下：

其中，η_ITAE為全局優化控制器參數性能指標；m為當前回路對象模型集包含模型數量；n為計算模型集中各模型動態響應性能選取時間段包含的數據點數；y_i(t_j)為模型集中第i個模型在t_j時刻輸出動態響應值；r_i為第i個模型輸入給定值；t_j為第j個采樣數據值的時間，j為采樣數據值的序號。

3.根據權利要求1所述的一種比例微分超前智能模型集PID控制器設計方法，其特征在于：

所設計的全局優化智能控制器即采用隨機搜索優化算法能快速選取出一組智能控制器參數，直接在PID控制器實施，使得在該組智能控制器參數控制下，被控過程對象的輸出動態響應在性能指標η_ITAE的約束下，使得該性能指標η_ITAE取值最小，實現適應多工況的全局優化智能控制器控制目標；設計方法步驟如下：

S1、根據采集到的現場生產過程對象多時段、多工況的有效數據，并采用混合Box-Jenkins模型閉環辨識方法建立過程對象多工況精準模型，形成對象模型集；

S2、對模型集中各精準模型，采用比例微分超前控制器設計方法，分別采用隨機搜索優化方法對各工況模型設計出相應的控制器K、T_I、T_D參數組；

S3、根據S2得到的控制器K、T_I、T_D參數組，計算出各組控制器K、T_I、T_D參數的平均值，作為S4采用隨機搜索優化算法求取全局優化控制器參數的初值；

S4、采用隨機搜索優化算法，以S3計算出的參數平均值作為初值，搜索出一組智能控制器參數，使得對象模型集中各工況模型在該組控制器參數控制下，性能指標η_ITAE取值最小，即達到全局優化智能控制器的設計目標。