[發明專利]一種工業過程的預測時域優化的擾動補償控制方法

有效

• 申請號: 202110754345.6
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113359424B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 谷宣枝;吳鋒;張日東
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 孫孟輝

1.一種工業過程的預測時域優化的擾動補償控制方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1、根據被控對象設計內環控制器；

步驟2、設計外環控制器；

所述步驟1包括如下步驟：

1.1、通過被控對象的實時階躍響應數據得到被控對象的傳遞函數模型為：

其中，G(s)為被控對象的傳遞函數，s為拉普拉斯變換算子，K為模型增益，T為模型的慣性時間系數，D為模型的滯后時間；

1.2、計算歷史控制量的控制效果

由于被控系統的延遲時間為D，選取時間段(t-D，t)的歷史控制量做為參考依據，計算它們的積分Q：

其中k_q為歷史控制量的積分系數；

1.3、確定基礎控制器

PI控制器的關系式如下

其中k_p是PI控制器比例系數，k_i是PI控制器積分系數，e(t)為當前時刻誤差；取λ為調節參數；

1.4、確定預測時域

首先確定預測時域為(t，t+P)，計算該時間段內的控制量的積分H

取

1.5、推導內環控制器的輸入輸出關系

將歷史控制量的控制效果，與預測時域的控制效果對PI控制器的控制量進行修正得到內環控制器的輸入輸出關系為：

由于未來時刻的控制量u是未知的，為了使控制器能夠實現令未來時刻的控制量都等于u(t),上式簡化為

其中u₁(s)為內環控制器的輸出控制量，該控制量直接對被控系統進行控制；e₁(s)為內環的輸入量，其值等于外環控制器控制量輸出與被控對象實際輸出值之差；

1.6、內環控制器輸入輸出關系的離散化

選擇一個合適的采樣時間T_s，得到下式

其中，另外k_p,k_i,k_q,p均為調節參數。

2.如權利要求1所述的工業過程的預測時域優化的擾動補償控制方法，其特征在于：

所述步驟2包括如下步驟：

2.1、把步驟1得到的內環控制器和被控系統組成一個閉環傳遞函數得到

把其化為微分形式

令得到

其中b₀為高頻增益，d為外部擾動；

2.2、選取x₁＝y,x₂＝f將上式寫成如下的狀態空間表達式

y＝x₁

2.3由上式建立二維狀態觀測器

上式中z₁→y,z₂→f，β₁，β₂是觀測器增益，通過適當選取β₁，β₂，可實現觀測器對系統中個狀態變量跟蹤，即

2.4、求解二維狀態觀測器的特征方程

對二維狀態觀測器方程拉式變換可得

二維狀態觀測器對應的特征方程為

L^*(s)＝s²+β₁s+β₂

將觀測器的2個極點統一配置到s平面左半實軸-ω₀處

L^*(s)＝(s+ω₀)²

從而確定觀測器增益

β₁＝2ω₀，β₂＝ω₀²

2.5、控制量選取

設系統的輸入是r，則控制量為如下形式

上式中k₁為控制器增益，把上式整理為

根據上式計算控制器傳遞函數

特征方程如下

C(s)＝s+k₁

將控制器的極點配置到s平面左半實軸-ω_c處，從而確定外環控制器增益k₁；在選擇合適的λ，ω₀,ω_c后，通過二維狀態觀測器得到y的觀測值z₁和系統總擾動的觀測值z₂，計算出外環控制量u；內環控制器根據u與y的差值計算出u₁，再將其作用于被控對象。