CN102540875A - 基于满意数字pid控制器的离散时滞系统控制方法 - Google Patents
基于满意数字pid控制器的离散时滞系统控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法,先利用工控系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到被控对象模型参数;然后根据被控对象模型参数,给出能使闭环系统稳定的控制参数集合,在控制参数稳定集这一约束条件下,可容易获得满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取这些参数的交集能够给出所有满足多性能指标要求的控制参数值,明确给出稳定域中不同控制参数取值与系统各性能指标之间的关系,确定能够满足不同性能指标要求的控制参数值,并将设计出的满意数字PID控制器应用到工控系统中对实际被控对象进行控制。本发明能简化计算、动态性能良好、有效满足多性能指标、实用性良好。
Description
技术领域
本发明涉及离散时滞系统控制技术,尤其是一种离散时滞系统控制方法。
背景技术
随着计算机技术的发展,数字控制器在实际控制系统中的使用呈现快速增长的趋势。主要原因是数字控制器可靠性高、成本低、灵活性强,通常可以获得最优系统性能,拥有连续控制系统无法比拟的优点。已有许多学者研究了数字控制器的设计方法,取得了一些研究成果。然而采用以上方法设计的数字控制器虽然在一定程度上能改善系统的性能,但往往阶次较高且结构复杂,特别是进行高阶系统的控制器设计时,则更加繁琐,很难在工业现场使用。而且,在实际工业控制过程中,往往需要控制系统能同时满足多个性能指标的要求,而不是单一的性能指标要求,从而实现系统的满意控制。因此有必要发展一种简单有效且能满足多性能指标的满意控制器设计方法。
Keel在文献A New Approach to Digital PID Controller Design(IEEETransactions on Automatic Control,2003,48(4):687-692.)中利用切比雪夫表达式和根的分布条件,通过求解控制参数的线性不等式组确定离散系统的数字PID控制参数稳定域。Kiani在文献Design of Digital PID Controllers Using theParameter Space Approach(International Journal of Control,2006,79(6):624-629.)中采用参数空间法研究了数字PID控制器设计问题,给出了数字PID控制参数稳定域的计算方法。Mitra在文献Data Based Design of Digital PID Controller(NewYork:Proceeding of American Control Conference,2007:226-230.)中根据被控对象的输入输出信息,给出了一种确定无模型离散系统的数字PID控制参数稳定域的计算方法。然而上述文献针对的都是无时滞的离散系统,而关于离散时滞系统的PID控制器稳定域求解方法则鲜为报道。因此,针对离散时滞系统研究综合多性能指标的满意数字PID控制器设计方法具有重要的理论价值和现实意义
发明内容
为了克服已有现有离散时滞系统控制方法的计算复杂、动态性能较差、不能满足多性能指标、实用性较差的不足,本发明提供一种简化计算、动态性能良好、有效满足多性能指标、实用性良好的基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法,所述控制方法包括以下步骤:
1)、利用离散时滞系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到具有如下传递函数的离散时滞对象:
其中,N(z)和D(z)分别是最高项次数为m和n的实系数多项式且m<n,l∈N+是时滞常量,N+表示正整数集;
2)、采用如下形式的数字PID控制器:
其中,kp是比例系数,ki是积分系数,kd是微分系数,Ts是采样周期,T是一较小的正实数,令
K0=kpT+kd,
K1=-kp(Ts+2T)-kiTsT-2kd,
(3)
K2=kp(Ts+T)+kiTs(Ts+T)+kd,
K3=K2-K0.
3)、令z0是N(z)位于单位圆外的零点个数:
T(u,K3)=P1(u)-(u+1)P2(u)+K3P3(u)
其中
P1(u)=Rd(u)RN(u)+(1-u2)Td(u)TN(u),
P2(u)=RN(u)Td(u)-Rd(u)TN(u),
根据稳定性条件:T(u,K3)在u∈(-1,1)上必须至少应有n+l+z0-m个奇数重互异实根,获取K3的稳定范围;
5)、选取满足:
的序列I=[i0,i1,L,ik,ik+1],其中,ij,j=0,1,L,k+1取-1或1;
6)、令
由以上所获得的线性不等式组获得(K1,K2)的稳定域;
7)、遍历K3的稳定范围,根据以上步骤确定每一个遍历点所对应的(K1,K2)的稳定域,从而确定(K1,K2,K3)空间的参数稳定域;
8)、根据所确定的(K1,K2,K3)空间的稳定域,利用矩阵变换:
能够得到(kp,ki,kd)空间的稳定域,其中,
9)、在所获取的(kp,ki,kd)空间的稳定域中进行逐点搜索,分别得到满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取满足不同性能指标的控制参数的交集给出所有满足多性能指标要求的控制参数域;
10)、将离散时滞系统被控对象模型的参数输入所述数字PID控制器,实现在线控制。
进一步,所述控制方法还包括以下步骤:11)在工控机中实现数字PID控制器的调节、仿真,建立数字PID控制器监控模块,对离线仿真、调试和对被控对象的在线实际控制进行切换。
本发明的技术构思为:本发明的目的在于针对现有数字PID控制理论、应用和实现上的不足,针对线性离散时滞系统,提出了满足多性能指标的数字PID控制器设计方法。首先利用切比雪夫表达式和根的分布条件计算数字PID控制器参数稳定域,然后基于所获得的稳定域,进一步找出满足单个性能指标的控制参数区域,利用满意控制理论获得满足多性能指标的PID控制器参数集合。最后,实现数字PID控制器设计的GUI人机交互界面,通过对GUI软件中分数阶系统以及
数字PID控制器的参数取值,直观地得到控制参数在稳定域中取不同值时系统在控制器的调节下的各性能指标值变化情况和输出响应曲线,让用户最简单化地完成控制器及系统的设计与仿真。
本发明的有益效果主要表现在:简化计算、动态性能良好、有效满足多性能指标、实用性良好。
附图说明
图1是采用本发明方法的工作流程图。
图2为本发明采用数字PID控制器的设计方法所用的闭环控制结构图。
其中C为控制器,G为被控对象,r和y分别为闭环系统的输入和输出,e为偏差信号,u为控制器输出,d为干扰信号。
图3为本发明实施例中,选取K3=0.5时,(K1,K2)的稳定域。
图4为本发明实施例中,(K1,K2,K3)空间的三维稳定域。
图5为本发明实施例中,(kp,ki,kd)空间的三维稳定域。
图6为本发明实施例中,K3=0.5时,满足给定多性能指标的参数集合。
图7为本发明实施例中,满足给定多性能指标的(kp,ki,kd)空间参数集合。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图7,一种基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法,先利用工控系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到被控对象模型参数;然后根据被控对象模型参数,给出能使闭环系统稳定的控制参数集合,在控制参数稳定集这一约束条件下,可容易获得满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取这些参数的交集能够给出所有满足多性能指标要求的控制参数值;最后,用GUI软件工具编制成相应的数字PID控制监控模块进行控制器调节、仿真与验证,明确给出稳定域中不同控制参数取值与系统各性能指标之间的关系,确定能够满足不同性能指标要求的控制参数值,并将设计出的满意数字PID控制器应用到工控系统中对实际被控对象进行控制。
具体步骤如下:
1)、在系统进入满意数字PID控制器的设计之前,先利用工控系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到具有如下传递函数的离散时滞对象
其中,N(z)和D(z)分别是最高项次数为m和n的实系数多项式且m<n,l∈N+是时滞常量,N+表示正整数集。
2)、采用如下形式的实际数字PID控制器:
其中,kp是比例系数,ki是积分系数,kd是微分系数,Ts是采样周期,T是一较小的正实数(一般取T=0.01~0.1)。令
K0=kpT+kd,
K1=-kp(Ts+2T)-kiTsT-2kd,
(10)
K2=kp(Ts+T)+kiTs(Ts+T)+kd,
K3=K2-K0.
3)、令z0是N(z)位于单位圆外的零点个数
T(u,K3)=P1(u)-(u+1)P2(u)+K3P3(u)
其中
P1(u)=Rd(u)RN(u)+(1-u2)Td(u)TN(u),
P2(u)=RN(u)Td(u)-Rd(u)TN(u),
根据稳定性条件:T(u,K3)在u∈(-1,1)上必须至少应有n+l+z0-m个奇数重互异实根,获取K3的稳定范围。
5)、选取满足
的序列I=[i0,i1,L,ik,ik+1],其中,ij,j=0,1,L,k+1取-1或1。
6)、令
由以上所获得的线性不等式组可获得(K1,K2)的稳定域。
7)、遍历K3的稳定范围。根据以上步骤确定每一个遍历点所对应的(K1,K2)的稳定域,从而确定(K1,K2,K3)空间的参数稳定域。
8)、根据所确定的(K1,K2,K3)空间的稳定域,利用矩阵变换
能够得到(kp,ki,kd)空间的稳定域,其中,
9)、在所获取的(kp,ki,kd)空间的稳定域中进行逐点搜索,分别得到满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取满足不同性能指标的控制参数的交集给出所有满足多性能指标要求的控制参数域。在该控制参数域中选取的控制参数值均能同时满足多性能指标的要求。
10)、将被控对象模型的参数输入所述数字PID控制器,实现在线控制。
11)基于以上步骤中求解满足多性能指标的控制参数域的算法和GUI开发软件在工控机中实现数字PID控制器的调节、仿真,建立数字PID控制器监控模块,对离线仿真、调试和对被控对象的在线实际控制进行灵活切换。本专利中的用户界面能够进行被控对象模型的参数输入,得到超调、幅值裕度和相位裕度等性能指标的设置,得到满足多性能指标的参数集合。控制参数稳定域和系统输出响应曲线的显示,并通过鼠标点击所获得的控制参数区域中各组不同的控制参数值,给出所对应的输出响应曲线及系统各性能指标的值。根据各个性能指标,用户可直观地判断所选取的控制参数能否使系统到达预期的性能指标。若所选取的控制参数能够满足给定的不同性能指标要求,则可切换到在线控制状态,直接实现满意数字PID控制器对被控对象的实际控制,并可进一步根据实际模型误差和外界环境干扰信号进行控制参数微调。
如图1所示,首先利用工控系统对控制对象进行继电反馈辨识,确定其模型参数。然后将模型参数和用户选取的数字PID控制器参数K3输入人机交互界面。基于数字PID控制器的控制参数稳定域求解算法,得到K3的稳定范围。在K3稳定范围内取任意值得(K1,K2)二维参数稳定域。通过遍历K3,确定(K1,K2,K3)的稳定域,进而根据K1,K2,K3和kp,ki,kd间的线性对应关系确定(kp,ki,kd)的稳定域。在控制参数稳定集这一约束条件下,可容易获得满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取这些参数的稳定域的交集能够给出所有满足多性能指标要求的控制参数区域。用户可通过鼠标点击选取满足性能指标要求的控制参数域中的点,即能够得到预期性能指标的数字PID控制参数值,从而实现对被控对象的满意数字PID控制。
实施例:将本发明提出的控制方法用于造纸生产过程自动控制系统,其目的是生产具有恒定定量的纸张。设计要求为:保证系统满足幅值裕度大于2db,相位裕度大于20°,超调量小于0.2。
接下来介绍具体实施步骤:
(1)利用该造纸生产工控系统对控制对象-典型的长网纸机进行自动继电反馈辨识,结果得到定量控制的造纸机动态模型的离散对象为
采样周期Ts=0.5s,采用形如式所示的实际数字PID控制器,其中T取0.1。
(2)计算n+l+z0+1-m的值,根据T(u,K3)在u∈(-1,1)上至少需有n+l+z0-m个奇数重互异实根,确定K3的稳定范围。n=3,l=1,z0=0,m=1,计算得2+n+l+z0-(m+1)=4,所以T(u,K3)在u∈(-1,1)至少要有3个奇数重互异实根,从而确定K3的稳定范围为(-0.6280,0.8022)。
(3)选择K3的稳定范围中的一个遍历点,计算T(u,K3)在u∈(-1,1)上的奇数重互异实根。取K3=0.5,计算得T(u,K3)在u∈(-1,1)上的奇数重互异实根分别是-0.6713,-0.2125和0.7552,且sgn[T(-1)]=1。
(4)得到满足条件的序列集合,对每个序列求解线性不等式组,确定(K1,K2)平面的稳定域。满足条件的序列I=[1,-1,1,-1,1],进而得到关于K1和K2的线性不等式组:
K1+2K2>0.5,
K1+1.3426K2<1.0840,
K1+0.4305K2>-0.2337,
K1-1.5103K2<0.3287,
K1-2K2>-1.2.
求解以上线性不等式组,可获得(K1,K2)平面上的稳定域,如图3所示。
(5)遍历K3,重复(3)到(4)第四步,可得满足多性能指标的(K1,K2,K3)空间的三维稳定域,如图4所示。最后,确定(kp,ki,kd)空间的三维稳定域,如图5所示。
(6)当K3=0.5时,基于图2所示的控制参数稳定域,得到单独满足幅值裕度大于2db,相位裕度大于20°和超调量小于0.2的控制参数集合,这些集合的交集即是满足幅值裕度大于2db,相位裕度大于20°,超调量小于0.2的PID参数集合,如图6的黑色区域所示。
(7)确定满足单个性能指标的所有控制参数区域的交集,即为满足多性能指标的参数区域。在图6所示的控制参数集合中任取几组控制参数,这几组参数所对应的性能指标如表1所示,
表1
可以看出这几组参数均能使系统满足给定的多性能指标。图7给出了满足给定多性能指标的(kp,ki,kd)空间的参数集合。
(8)将以上控制参数稳定域求解算法进行编程并将程序嵌入到GUI图形软件界面工具中,即可直观、简单地实现满足多个不同性能指标的控制参数选取,从
而实现数字PID控制器的满意设计。
具体步骤如下:
(a)在System面板中离散时滞被控对象的传递函数表达式;
(b)点击Start按钮计算出参数K3的稳定范围是(-0.6280,0.8022);
(c)在K3=后面的文本框中输入0.5,即选取K3=0.5;
(d)点击Plot 2D得到(K1,K2)空间的二维参数稳定域;
(e)点击View performance按钮,在(K1,K2)二维稳定域中选取参数,在Performance显示闭环系统的各个性能指标;
(f)在Performance Indices面板中设定要满足的性能指标。如满足1)超调量<=0.2;2)相位裕度>20°;3)幅值裕度>2db;
(g)点击Find Subset按钮,得到满足多性能指标的PID参数域;
(h)点击Plot 3D得到(K1,K2,K3)的三维参数稳定域,如图4所示。
本发明采用的算法简单结果直观准确,不仅具有理论价值还有实用价值。采用本发明设计的满意数字PID控制器,能够获得良好的动态性能,因此可广泛应用于能源、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 (2)
1.一种基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法,其特征在于:所述控制方法包括以下步骤:
1)、利用离散时滞系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到具有如下传递函数的离散时滞对象:
其中,N(z)和D(z)分别是最高项次数为m和n的实系数多项式且m<n,l∈N+是时滞常量,N+表示正整数集;
2)、采用如下形式的数字PID控制器:
其中,kp是比例系数,ki是积分系数,kd是微分系数,Ts是采样周期,T是一较小的正实数,令
K0=kpT+kd,
K1=-kp(Ts+2T)-kiTsT-2kd,
(3)
K2=kp(Ts+T)+kiTs(Ts+T)+kd,
K3=K2-K0.
3)、令z0是N(z)位于单位圆外的零点个数:
T(u,K3)=P1(u)-(u+1)P2(u)+K3P3(u)
其中
P1(u)=Rd(u)RN(u)+(1-u2)Td(u)TN(u),
P2(u)=RN(u)Td(u)-Rd(u)TN(u),
根据稳定性条件:T(u,K3)在u∈(-1,1)上必须至少应有n+l+z0-m个奇数重互异实根,获取K3的稳定范围;
5)、选取满足:
的序列I=[i0,i1,L,ik,ik+1],其中,ij,j=0,1,L,k+1取-1或1;
6)、令
由以上所获得的线性不等式组获得(K1,K2)的稳定域;
7)、遍历K3的稳定范围,根据以上步骤确定每一个遍历点所对应的(K1,K2)的稳定域,从而确定(K1,K2,K3)空间的参数稳定域;
8)、根据所确定的(K1,K2,K3)空间的稳定域,利用矩阵变换:
能够得到(kp,ki,kd)空间的稳定域,其中,
9)、在所获取的(kp,ki,kd)空间的稳定域中进行逐点搜索,分别得到满足单个性能指标的控制参数区域,通过求取满足不同性能指标的控制参数的交集给出所有满足多性能指标要求的控制参数域;
10)、将离散时滞系统被控对象模型的参数输入所述数字PID控制器,实现在线控制。
2.如权利要求1所述的基于满意数字PID控制器的离散时滞系统控制方法,其特征在于:所述控制方法还包括以下步骤:
11)在工控机中实现数字PID控制器的调节、仿真,建立数字PID控制器监控模块,对离线仿真、调试和对被控对象的在线实际控制进行切换。
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