CN100385354C - 内模自整定数字控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种工业过程控制技术领域的内模自整定数字控制器的设计方法。本发明采用一阶加纯滞后模型；上位机控制输出控制台控制扳键使系统运行在“辨识阶段”，此时，继电辨识环节被切换入闭环系统；在继电环节的作用下，系统运行开始后在短时间内建立起极限环；根据对继电器输出各参数的实时测量，根据偏压继电反馈辨识公式计算出系统待辨识的三个参数K、θ和τ，并存入RAM中；根据已辨识出的模型参数计算新型内模控制器的各参数，计算结果存入RAM存储单元中；通过辨识所得的模型和内模控制器参数送入实际生产过程相对应各环节中。本发明实现了数字内模控制器的自整定，降低了硬件成本并提高了系统的灵活性，可靠性和准确性。

Description

内模自整定数字控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种工业过程控制技术领域的方法，具体是一种内模自整定数字控制器的设计方法。

背景技术

1979年，内模控制结构(IMC)首先由Brosilow根据Smith预估补偿控制原理提出的，以后由Carcia和MorariGarcia从典型的单输入单输出系统方块图开始提出了一种统一的基本结构，内模控制技术已应用于许多工业控制过程中，被公认为是最适合工业实际应用的先进控制方法之一，但是在目前的应用中存在以下三个难题：工程技术人员在应用传统手动整定控制器时无法知道如何有效快速的调节控制器参数以达到系统性能和鲁棒性之间的折中，如何调节和提高工业控制过程中的鲁棒稳定性和标称输出响应也是当前的控制难题，如何有效的将内模控制技术应用于大时滞系统一直都没有得到彻底的解决。

应该指出的是，由于目前绝大部分研究集中在参数估计和收敛性分析方面，忽略了辨识方法中的测试信号设计，而测试实验以及模型有效性验证部分的研究，这些正是与实际应用结合最紧密的方面。测试信号必须能够充分激励系统的动力学特性，尤其是控制系统分析和设计所关心的动态特性，这是保证辨识结果有效性的关键因素。

经对现有技术的文献检索发现，

K.J.，和

T.在1984年最早提出了继电反馈辨识的方法，该方法作用于系统的闭环回路，快速准确地获取过程临界信息，从而设计PID控制器。自1984年提出以后，许多改进和扩展方法被相继提出来，针对不稳定对象，Wang.Q.G.在文献Low-ordermodeling from relay feedback，(Ind.Eng.Chem.Res.1997，36(2)，375-381.)(基于继电反馈的低阶建模方法，发表在Industrial & EngineeringChemistry Research，化工工业与工程研究)，中首次应用带偏置继电器获得更为精确的辨识结果，无需任何有关时滞和静态增益的先验信息，而且利用单次辨识实验就能便捷地获取更多系统特性。本发明将继电反馈技术和IMC控制器设计方法相结合，设计控制模块在很大程度上缓解了IMC控制器应用中的三个难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种内模自整定数字控制器的设计方法，使其基于快速有效的继电反馈辨识技术实现控制器在线自整定，能在不重新设计控制器的情况下，自动处理实际控制对象的不确定性实时更新设置控制器参数，并成功的应用于大时滞系统，达到较为满意的控制效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在现有的电子控制设备和工控计算机中直接运行和实施，首先通过操作台控制系统界面选择“自动运行状态”，进入此过程后，具体步骤如下：

步骤一：采用工业工程中常用的一阶加纯滞后模型： $G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Ke}}^{-\mathrm{\θs}}}{\mathrm{\τs}+1}$ 其中三个待辨识参数：K是系统静态增益；θ是系统时滞；τ是系统时间常数。

步骤二：上位机控制输出控制台控制扳键使系统运行在“辨识阶段”。此时，继电辨识环节被切换入闭环系统。

步骤三：在继电环节的作用下，系统运行开始后在短时间内建立起极限环。

通过对系统输出的稳定振荡极限环的监测模块，单次继电反馈所产生极限环的各输出参数A_u、A_d、T_u1和T_u2被记录在RAM存储器中。

步骤四：根据对继电器输出各参数的实时测量，根据下述偏压继电反馈辨识公式

$k=\frac{{\∫}_0^{T_{u1}+T_{u2}}y\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{T_{u1}+T_{u2}}u\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\θ}=\ln \frac{(u_0+u)K-\mathrm{\ϵ}}{(u_0+u)K-A_u}---\left(2\right)$

$\mathrm{\τ}=T_{u1}{\left(\ln \frac{2\mathrm{uK}{e}^{\mathrm{\θ}}+u_{0}K-\mathrm{uK}+\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{uK}+u_{0}K-\mathrm{\ϵ}}\right)}^{-1}---\left(3\right)$

计算出系统待辨识的三个参数K、θ和τ，并存入RAM中。

步骤五：根据已辨识出的模型参数计算新型内模控制器的各参数，计算结果存入RAM存储单元中。

A.辨识出的连续模型参数做离散化处理，例如选用零阶保持器，得到系统传函：

${\mathrm{HG}}_m\left(z\right)=L\left\{\frac{1-e^{-T_{s}s}}{s}{G}_p\left(s\right)\right\}---\left(4\right)$

B.根据离散系统传函性质计算出G₊(z)，G₊(z)定义如下：

$G_{+}\left(z\right)=z^{-(l+1)}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Π}}}\left(\frac{z-z_i}{z-{\hat{z}}_i}\right)\left(\frac{1-{\hat{z}}_i}{1-{\hat{z}}_i}\right)---\left(5\right)$

其中l表示滞后拍数，l+1考虑零阶，p表示单位圆外的极点数，z_i表示单位圆外的零点数，z_i＝1/z_i(i＝0，1，2...)

C.因式分解系统传函，如下：

G_m(z)＝G₊(z)G_-(z)    (6)

D.设计内模控制器，如下：

$G_c\left(z\right)=\frac{1}{G_{-}\left(z\right)}---\left(7\right)$

E.设计系统滤波器，如下：

$G_f\left(z\right)=\frac{1-\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}{z}^{-1}}---\left(8\right)$

步骤六：通过辨识所得的模型和内模控制器参数送入实际生产过程相对应各环节中。然后，系统进入“运行阶段”。此阶段中，输出监控模块一直处于工作状态，实时检测系统的输出，无论是系统失配或摄动，还是不确定扰动的干扰使系统输出较远的偏离标称值时，系统自动切换进入“辨识阶段”以及时更新生产过程中的各参数。

以上各式中：k-系统静态增益，θ-系统时滞，τ-系统时间常数，

A_d-对象输出振荡曲线的正峰值，A_u-对象输出振荡曲线的负峰值，

T_u1-对象输入信号中高电平维持时间，

T_u2-对象输入信号中低电平维持时间，

ε-继电器时滞常数，u₀-继电器电压输出，u-继电器输出电压偏置

y(t)-对象输出函数解析式，u(t)-继电器输出函数解析式，

T_s-离散控制系统采样时间，α-滤波器调节参数，

G_p(s)-模型传递函数，HG_m(s)-包含零阶保持器的对象离散传递函数，G₊(s)-模型内函数传递函数，G_-(s)-模型外函数传递函数，G_c(s)-新型内模控制器传递函数，G_f(s)-系统滤波器传递函数。

本发明在现有的内模控制器设计方法上，加入智能继电反馈模块。利用继电反馈技术能够以闭环可控的方式提取系统的频域信息的优势，实现了数字内模控制器的自整定。这样大大方便了工业现场的应用，同时，最终内模控制器设计为数字控制器应用在离散域中，控制器通过编程来完成，更进一步降低了硬件成本并提高了系统的灵活性，可靠性和准确性。

本发明通过编制相应的控制模块，实现对继电辨识的智能控制，从而在现有的工控系统中可以直接实施，实现内模控制系统的自整定。例如在现场应用的启动初始阶段：通过继电反馈技术在闭环中快速准确的辨识出系统模型参数，从而设定内模控制器的各参数，使系统迅速进入控制运行的阶段。在运行过程中：如果出现模型过大的失配，系统可以及时切换到辨识状态，在短时间内跟踪校正各模型和控制器的参数。此方法一个突出优点是继电辨识过程处于闭环中，所以即使在短时间的辨识过程中，工业生产过程仍然可以继续，不会因为辨识需要而切断控制回路影响正常生产。

本发明的另一个突出优点是快速有效的继电闭环辨识的应用弥补了内模控制器设计过分依赖模型准确性的限制。由于继电反馈快速辨识的巧妙加入，新型内模控制器可以实现对输入或模型时变的动态跟踪，从而从根本上克服了内模控制器设计中对模型失配和摄动过于敏感的问题。另外，滤波器环节的应用也改善了系统的鲁棒性，可以调节滤波器方便的在标称性能和鲁棒性之间进行折中。

本发明中的控制方法还结合继电反馈的应用，对经典内模控制算法做出了改进，从而有效的解决了内模控制结构对大纯滞后环节的失控问题。

总上，本发明从根本上解决了经典内模控制器在应用中的遇到的三大难题：如何实现自整定，如何解决内模控制对系统模型的精确性要求过高，如何控制带有大滞后环节的工业对象。同时，经典内模控制结构的优势在本发明中也得到了充分的发挥。

附图说明

图1表示偏压继电实验中极限环各参数测定。

图2表示本发明应用在生产过程中的控制框图。

图3是本发明方法流程图。

图4是本发明实施例采用的硬件结构图。

图5为针对一个化工实例实施的效果图例，图5(a)示出了本发明应用模型摄动20％后，在大纯滞后对象的控制效果；图5(b)显示出在模型摄动分别到达±20％时，本发明方法的应用情况。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，表示在偏压继电器作用下，待辨识对象输入信号是图示周期方波，相应的输出周期信号。

如图2所示，表示本发明应用在生产过程中的控制框图，根据两个扳键的开合情况，控制系统运行。

如图3所示，是本发明方法流程图，整个系统按照此流程运行。

如图4所示，系统主要由操作控制台，上位机，输出控制台和输出监测模块构成。操作控制平台是用户界面，在此工程技术人员可以选择手动或自动模式，同时，系统运行的实时输出响应可以显示，记录或打印。为了方便技术人员管理，操作台还设有报警装置。上位机与时钟信号相配合，控制采样输入和数据更新的频率。输出控制台接受上位机的控制命令来控制系统运行中两个扳键切换系统两种状态。输出监测模块始终对系统实时输出进行检测，并将信息离散化后输入上位机，由上位机既定算法程序及时判断系统运行状态和是否需要切换状态更新数据。

图5为针对一个化工实例实施的效果图例。

其中，图5(a)示出了本发明应用模型摄动20％后，在大纯滞后对象的控制效果。本发明给出的新型内模自整定数字控制器的设计方法(实线)以及传统的Cohen-Coon自整定方法(点线)相比较。无论是动态响应的快速性，稳定性和静态误差等多个指标都显示出了优越性。还需要指出的是在同等条件下，经典的Ziegler-Nichols PID自整定方法和改进的Ziegler-Nichols(RZN)PID自整定方法都已失效。图5(b)显示出在模型摄动分别到达±20％时，本发明方法的应用情况。可以看出由于摄动对系统的影响可以反应在输出响应中，由输出监测模块分辩，此时的输出响应可以做为系统切换的判断依据。实验还进一步推广到其他模型失配，不确定干扰等因素的影响，结果证明都可以应用本发明方法及时校正。

实施例子：

对一个广泛研究采用的化工大时滞生产过程

$G\left(s\right)=\frac{e^{-20s}}{s+1}$

应用本发明给出的控制方法步骤。

第一步：采用一阶加纯滞环模型 $G\left(s\right)=\frac{K{e}^{-\mathrm{\θs}}}{\mathrm{\τs}+1},$ 其中三个待辨识参数：K是系统静态增益；θ是系统时滞；τ是系统时间常数。

第二步：通过操作台控制系统选择进入“自动运行阶段”，控制上位机控制输出控制台控制扳键使系统运行在“辨识阶段”，此时，继电辨识环节被切换入闭环系统，系统输出建立极限环。

第三步：系统检测模块对系统输出的稳定振荡极限环的在线测量，单次继电反馈实验所产生极限环的各输出信息A_u、A_d、T_u1和T_u2被记录在RAM存储器中。

第四步：根据公式(1)(2)(3)，计算出系统待辨识的三个参数k＝1，τ＝1.042和θ＝20，存入RAM中。

第五步：根据已辨识出的模型参数计算新型内模控制器的各参数，计算结果存入RAM存储单元中。辨识出的连续模型参数做离散化处理，例如选用零阶保持器，根据公式(4)得到系统传函，再根据公式(5)计算出G₊(z)。根据(6)因式分解系统传函，然后根据公式(7)设计内模控制器最后根据公式(8)设计滤波器 $G_f\left(z\right)=\frac{0.1}{1-0.9z^{-1}}.$

第六步：将辨识所得的模型和内模控制器参数送入实际生产过程相对应各环节中。控制系统进入“运行阶段”。此阶段中，输出监控模块一直处于工作状态，实时检测系统的输出，无论是系统失配或摄动，还是不确定扰动的干扰使系统输出较远的偏离标称值时，系统自动切换进入“辨识阶段”以及时更新生产过程中的各参数。

在工业控制现场采用本发明提出的新型内模自整定数字控制器的设计方法，最大的特点即使具有智能性，能对系统的标称性能和鲁棒性做在线跟踪，从而有效的实现自整定。同时，对大纯滞后对象能同样实施有效控制。用户操作起来更简便直观；控制效果更快速平稳，能达到更好的系统性能。采取本发明控制方法的工控系统可广泛应用于能源、冶金、石化、轻工、医药、建材、纺织等行业中各类企业的生产过程控制。

Claims (3)

1.一种内模自整定数字控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用一阶加纯滞后模型： $G\left(s\right)=\frac{K{e}^{-\mathrm{\θs}}}{\mathrm{\τs}+1}$ 其中三个待辨识参数：K是系统静态增益；θ是系统时滞；τ是系统时间常数；

步骤二：上位机控制输出控制台控制扳键使系统运行在“辨识阶段”，此时，继电辨识环节被切换入闭环系统；

步骤三：在继电环节的作用下，系统运行开始后在短时间内建立起极限环；

步骤四：根据对继电器输出各参数的实时测量，根据偏压继电反馈辨识公式计算出系统待辨识的三个参数K、θ和τ，并存入RAM中；

步骤五：根据已辨识出的模型参数计算新型内模控制器的各参数，计算结果存入RAM存储单元中；

步骤六：通过辨识所得的模型和内模控制器参数送入实际生产过程相对应各环节中，然后，系统进入“运行阶段”，此阶段中，输出监控模块一直处于工作状态，实时检测系统的输出，无论是系统失配或摄动，还是不确定扰动的干扰使系统输出较远的偏离标称值时，系统自动切换进入“辨识阶段”以及时更新生产过程中的各参数。

2.根据权利要求1所述的内模自整定数字控制器的设计方法，其特征是：所述的步骤三，通过对系统输出的稳定振荡极限环的监测模块，单次继电反馈所产生极限环的各输出参数A_u、A_d、T_u1和T_u2被记录在RAM存储器中。

3.根据权利要求1所述的内模自整定数字控制器的设计方法，其特征是：所述的步骤五，根据已辨识出的模型参数计算新型内模控制器的各参数，具体如下：

A.辨识出的连续模型参数做离散化处理，得到系统传函：

${\mathrm{HG}}_m\left(z\right)=L\left\{\frac{1-e^{-T_{s}s}}{s}{G}_p\left(s\right)\right\}$

B.根据离散系统传函性质计算出G₊(z)，G₊(z)定义如下：

$G_{+}\left(z\right)=z^{-(l+1)}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Π}}}\left(\frac{z-z_i}{z-{\hat{z}}_i}\right)\left(\frac{1-{\hat{z}}_i}{1-z_i}\right)$

其中l表示滞后拍数，l+1考虑零阶，p表示单位圆外的极点数，z_i表示单位圆外的零点数， ${\hat{z}}_i=1/z_i$ (i＝0，1，2....)

C.因式分解系统传函：G_m(z)＝G₊(z)G_-(z)

D.设计内模控制器： $G_c\left(z\right)=\frac{1}{G_{-}\left(z\right)}$

E.设计系统滤波器： $G_f\left(z\right)=\frac{1-\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}{z}^{-1}}$

其中：α-滤波器调节参数。

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