[發(fā)明專利]一種微分超前智能模型集PID控制器設計方法

有效

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• 申請日: 2017-12-17
• 公開（公告）號: CN108132597B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)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

本發(fā)明公開了一種微分超前智能模型集PID控制器設計方法，屬于流程工業(yè)生產技術領域。該方法在微分超前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(yōu)化控制器，解決常規(guī)控制器設計方法難以適應工況變化的缺陷，實現(xiàn)控制回路能夠長期穩(wěn)定運行，設計全局優(yōu)化控制器回路結構。在回路模型集基礎上，在不改變原有PID控制器結構的基礎上直接實施。將該控制器設計方法與回路對象多工況模型集結合，設計出適應多種工況的全局優(yōu)化控制器，解決常規(guī)控制器設計方法難以適應工況變化的缺陷，實現(xiàn)在該控制器控制下的回路能夠長期穩(wěn)定運行。

技術領域

本發(fā)明屬于流程工業(yè)生產技術領域，涉及一種微分超前智能模型集PID控制器設計方法，該方法可以應用于流程工業(yè)生產裝置控制回路多工況全局優(yōu)化的控制器設計。

背景技術

在現(xiàn)代煉油化工生產過程中，一套生產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、加工需求調整或環(huán)境因素變化而變化，對于靠經驗整定的單一控制器參數(shù)難以適應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，須經由工程師對相關回路控制器進行重新整定才能穩(wěn)定投用，裝置自動化水平和運行平穩(wěn)性受到了嚴重影響。

發(fā)明內容

針對背景技術描述的問題，本發(fā)明提出一種微分超前智能模型集PID控制器設計方法。該方法融合了先進的計算機技術、控制技術及工藝生產技術，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，對生產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。在回路模型集基礎上，提出了一種控制器設計方法，該方法可在不改變原有PID控制器結構的基礎上直接實施。將該新型的控制器設計方法與回路對象多工況模型集結合，設計出適應多種工況的全局優(yōu)化控制器，解決了常規(guī)控制器設計方法難以適應工況變化的缺陷，實現(xiàn)在該控制器控制下的回路能夠長期穩(wěn)定運行。

本發(fā)明采用的技術方案為一種微分超前智能模型集PID控制器設計方法，在煉油化工生產過程中，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(wěn)態(tài)。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，引入了微分超前PID(PI-D)控制，如圖1所示，即微分只對測量值起作用，比例和積分對偏差起作用，如此可以避免設定值變化造成的輸出參數(shù)大幅波動。

圖1中，R(s)為回路設定值；Y(s)為被控變量輸出值；為控制器的比例和積分作用部分傳遞函數(shù)，K為比例系數(shù)，T_I為積分時間常數(shù)；為微分部分傳遞函數(shù)，T_D為微分時間常數(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，本發(fā)明提出了一種全新的控制器設計方法，控制器設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，也就相當于閉環(huán)控制回路等價于一階慣性環(huán)節(jié)如此避免設定值變化造成的輸出參數(shù)大幅波動，達到更有利于生產裝置整體平穩(wěn)運行的目的。

圖2中，G′_P(s)此處稱為名義過程控制對象傳遞函數(shù)，由圖1可得：

為了使本方法所設計控制器具有較強的魯棒性，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)設計階段計算求得，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和平穩(wěn)過渡動態(tài)性能；對圖3進行等價變換，得圖4所示的控制回路結構圖。

圖4中，G_C(s)為本發(fā)明所需設計的控制器，其傳遞函數(shù)如下：