[發(fā)明專利]一種比例微分超前智能模型集PID控制器設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2017-12-17
• 公開（公告）號: CN108107713B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王文新;李全善;王曦
• 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了一種比例微分超前智能模型集PID控制器設(shè)計方法，屬于流程工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。該方法對生產(chǎn)過程回路對象建立多時段、多工況模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工況對象精準模型。在回路模型集基礎(chǔ)上，提出了一種控制器設(shè)計方法，該方法可在不改變原有PID控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上直接實施。該方法在控制器設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，綜合生產(chǎn)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(yīng)多種工況的全局優(yōu)化控制器，解決了常規(guī)控制器設(shè)計方法難以適應(yīng)工況變化的缺陷，實現(xiàn)在該控制器控制下的回路能夠長期穩(wěn)定運行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流程工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種比例微分超前智能模型集PID控制器設(shè)計方法，該方法可以應(yīng)用于流程工業(yè)生產(chǎn)裝置控制回路多工況全局優(yōu)化的控制器設(shè)計。

背景技術(shù)

在當前流程工業(yè)大規(guī)模快速發(fā)展的時代，一套生產(chǎn)裝置通常包含少則上百，多則上千的過程控制回路，且裝置運行工況隨著原料改變、加工需求調(diào)整或環(huán)境因素變化而變化，對于靠經(jīng)驗整定的單一控制器參數(shù)難以適應(yīng)多工況變化的控制性能，在工況變化時，操作人員往往采用手動控制方式控制目標參數(shù)，待生產(chǎn)過程操作工況處于新的穩(wěn)態(tài)時，原有的控制器參數(shù)難以達到有效控制，須經(jīng)由工程師對相關(guān)回路控制器進行重新整定才能穩(wěn)定投用，但隨著控制回路的增加及工況變化，裝置自動化水平和運行平穩(wěn)性受到了嚴重影響。

發(fā)明內(nèi)容

針背景技術(shù)描述的問題，本發(fā)明提出一種比例微分超前智能模型集PID控制方法。該方法融合了先進的計算機技術(shù)、控制技術(shù)及工藝生產(chǎn)技術(shù)，充分利用工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘方法，采用先進的建模技術(shù)，對生產(chǎn)過程回路對象建立多時段、多工況模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工況對象精準模型。在回路模型集基礎(chǔ)上，提出了一種控制器設(shè)計方法，該方法可在不改變原有PID控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上直接實施。將該控制器設(shè)計方法與回路對象多工況模型集結(jié)合，設(shè)計出適應(yīng)多種工況的全局優(yōu)化控制器，解決了常規(guī)控制器設(shè)計方法難以適應(yīng)工況變化的缺陷，實現(xiàn)控制回路長期穩(wěn)定運行。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種比例微分超前智能模型集PID控制器設(shè)計方法，在石油化工生產(chǎn)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(chǎn)計劃時，也需要各被控變量平緩地過渡到新的穩(wěn)態(tài)，特別是生產(chǎn)過程中上下游關(guān)聯(lián)較強的流量參數(shù)。為防止設(shè)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(I-PD)控制，如圖1所示，即比例、微分對測量值起作用，僅積分對偏差起作用，避免設(shè)定值變化造成的輸出參數(shù)大幅波動。

圖1中，R(s)為回路設(shè)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(shù)；T_I為積分時間常數(shù)；為比例微分部分傳遞函數(shù)，K為比例系數(shù)；T_D為微分參數(shù)；α為微分放大系數(shù)，取值為0.05～0.1；G_P(s)為過程對象傳遞函數(shù)；s為拉普拉斯算子。

為實現(xiàn)圖1所示控制回路得到有效控制，控制器設(shè)計目標為使得控制回路前向通道等價于積分環(huán)節(jié)如圖2所示，相當于閉環(huán)控制回路等價于一階慣性環(huán)節(jié)避免設(shè)定值變化造成的輸出參數(shù)大幅波動，達到更有利于生產(chǎn)裝置整體平穩(wěn)運行的目的。

圖2中，G′_P(s)為名義過程控制對象傳遞函數(shù)，由圖1可得：

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(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3中，λ為魯棒提升系數(shù)，在控制器參數(shù)設(shè)計階段求得，該魯棒提升系數(shù)的適當取值有利于提升回路的魯棒性能及平穩(wěn)過渡動態(tài)性能；對圖3進行等價變換，變換后結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4中，G_C(s)為所需設(shè)計的控制器，控制器的傳遞函數(shù)如下：