CN104503245B - 一种非自衡对象的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种非自衡对象的控制方法和装置，非自衡对象包括操作变量和被控变量，所述方法包括：建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明不会导致稳态与动态的控制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。

Description

一种非自衡对象的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及工业流程控制领域，具体涉及一种非自衡对象的控制方法和装置。

背景技术

在工业流程控制领域中，对过程物质或能量具有累积作用的系统被称为非自衡对象。由于非自衡对象是一个临界稳定对象，也就是说仅当输入与输出该非自衡对象的物料平衡时，系统才能稳定。所以，对非自衡对象控制的好坏直接关系到工业上的过程安全，因此关于非自衡对象的控制问题一直是研究的热点。

目前，主流的非自衡对象的控制方法主要采用两层结构(稳态和动态)控制的解决方案。由于非自衡对象的临界稳定特性，主流的处理方法是通过稳态优化平衡与之相关的输入和输出，将非自衡对象的输出变化率调节至0，采用非自衡对象的斜率约束方法进行处理；动态控制时，通过极小化非自衡对象与其设定点的偏差计算控制作用，达到被控变量的调节。

但是，上述主流的处理方式中的稳态优化的目的是保证非自衡对象变化率趋近与零，保持非自衡对象的输入输出之间的平衡。相反，动态控制的目的是满足被控变量的设定值控制的调节要求，需要打破这种平衡。所以，这种处理方式就导致了稳态与动态目的的不一致性，从而在非自衡对象的控制过程中会产生追求平衡与打破平衡的矛盾状态。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非自衡对象的控制方法和装置。

本发明提供了一种非自衡对象的控制方法，非自衡对象包括操作变量和被控变量，所述方法包括：

建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；

根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；

根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。

优选地，所述方法还包括：

设置所述被控变量的安全约束范围；

实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范围。

优选地，所述非自衡对象还包括干扰变量，其中，所述根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系，具体为：

根据所述稳态增益矩阵和所述干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

优选地，所述方法还包括：

根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹；

在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；

将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。

本发明还提供了一种非自衡对象的控制装置，所述装置包括：

建立模块，用于建立非自衡对象的稳态增益矩阵，所述非自衡对象包括操作变量和被控变量；

第一确定模块，用于根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；

调节模块，用于根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。

优选地，所述装置还包括：

设置模块，用于设置所述被控变量的安全约束范围；

追踪模块，用于实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范围。

优选地，所述第一确定模块，具体用于：

根据所述稳态增益矩阵和所述非自衡对象包括的干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

优选地，所述装置还包括：

第二确定模块，用于根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹；

获取模块，用于在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；

调整模块，用于将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。

本发明首先建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵，其次，根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。最后，根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明不会导致稳态与动态的控制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参考图1，为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制方法流程图，所述方法包括：

S101：建立非自衡对象的稳态增益矩阵。其中，所述非自衡对象包括操作变量和被控变量。

本实施例中，非自衡对象包括操作变量和被控变量。其中，操作变量可以包括输入变量和输出变量。首先建立非自衡对象的阶跃响应的速率模型，能够表示该非自衡对象的输入输出的变化速率。如下a^r表示非自衡对象的阶跃响应的速率模型：

其中，a_i为阶跃响应系数，N为模型长度。

其次，获取所述非自衡对象的阶跃响应的速率模型后，再次获取所述速率模型的稳态增益a_N，进而构造出由稳态增益组成的稳态增益矩阵G。

S102：根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

本实施例中，由于所述稳态增益矩阵是由所述非自衡对象的稳态增益组成，所以，可以根据所述稳态增益建立如下所述非自衡对象的操作变量与被控变量之间的速率关系。

Δy_s＝G^rΔu_s

其中，下标s表示稳态，Δy_s为所述非自衡变量的被控变量的稳态斜率变化量，Δu_s为所述非自衡变量的操作变量的稳态变化量，定义为操作变量当前值u(k)与期望稳态值u(k+1)之差。

Δu_s＝u_s(k+1)-u_s(k)

实际应用中，处于不平衡状态的非自衡对象还可以包括干扰变量，如水槽中可能会有雨水进入等。为了控制所述非自衡对象，本实施例具体根据所述稳态增益矩阵和所述干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。如下：

Δy_s＝G^rΔu_s+F^rΔd_s；

其中Δd_s为非自衡对象干扰变量变化量，F^r为干扰变量与被控变量的速率增益关系。由于未来干扰的不可知，Δd_s定义为上一时刻检测得到的干扰d(k-1)与当前时刻干扰d(k)之差。

Δd_s＝d_s(k)-d_s(k-1)；

根据操作变量与扰动变量历史增量序列，利用其对被控变量的阶跃响应速率模型a^r，通过卷积计算被控变量的初速变化速率r。被控变量的期望变化速率为

dy_s＝G^rΔu_s+r。

S103：根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。

本实施例中，可以根据用户的需求，预先设置所述非自衡对象的控制时间，即第一控制时间，以保证所述非自衡对象在所述第一控制时间后可以维持在平衡的状态。另外，可以根据用户的需求，预先设置所述非自衡对象的被控变量的目标范围或者目标值。也就是说，控制所述非自衡对象的目的是使所述被控变量达到预设的目标范围或者目标值，并维持在平衡的状态。

实际操作中，可以根据确定的非自衡对象的所述操作变量与所述被控变量的速率关系，实时的调节所述非自衡对象的操作变量，如输入变量或输出变量。在调节所述非自衡变量的操作变量的过程中，尽量保证所述非自衡变量的变化量最小，即所述非自衡对象的资源最优。同时，调节所述非自衡对象最终在预设的第一控制时间内使得所述被控变量达到目标范围或者目标值。例如，在调节非自衡对象水槽时，可以通过实时的调节水槽的进水量和出水量，使得水槽的液位与预设的第一控制时间后达到目标范围或目标值。

值得注意的是，为了保证所述非自衡对象的安全，本实施例可以预先为所述非自衡对象的被控变量设置安全约束范围。也就是说，在调节所述非自衡对象的操作变量的过程中，必须保证所述被控变量是处于预设的安全约束范围内。具体的，在调节所述非自衡对象的过程中，可以实时追踪所述被控变量的当前值。当确定所述被控变量的当前值不在预设的安全约束范围时，调节所述操作变量，使得在预设的第二控制时间后所述被控变量能够达到所述安全约束范围。也就是说，所述非自衡对象的被控变量是被实时追踪的，以保证其能够一直处于安全约束范围，进而确保所述非自衡对象的安全。

另外，值得注意的是，为非自衡对象的被控变量设置的安全约束范围的重要性等级较高。也就是说，在调节控制变量的过程中，必须保证所述被控变量处于所述安全约束范围。只有在保证安全的情况下，才能追求所述非自衡变量的平衡。

实际应用中，求解如下优化命题，以计算所述非自衡对象的操作变量与被控变量的最优操作点。其中，带自衡对象过程的稳态优化可描述为，

s.t.u_s,y_s,Δu_s

其中，u_s，y_s分别属于Rⁿ，R^m的紧集，定义如下：

其中，u_low为操作变量的下限，u为操作变量的当前测量值，u_high为操作变量的上限，Δu_s为优化命题的自变量。

求解所述优化命题，确定在保证所述操作变量的变化量最小的情况下，完成所述非自衡变量的控制目标。

本实施例中，为了进一步保证所述非自衡对象的控制的准确性，在动态控制层，可以计算当前控制周期非自衡对象的参考轨迹。具体的，用于在上述稳态优化计算的结果不在严格满足平衡条件的情况下，可以在动态控制时，使非自衡对象达到稳态点时的斜率不为0。因此如果动态控制继续沿用平衡解所计算的参考轨迹，将出现稳态动态不一致性，导致优化的不平衡解无法实现，因此有必要重新计算动态控制参考轨迹。具体的，本发明实施例的参考轨迹的终端斜率与优化斜率保持一致即可，即

y_ref(k+j)＝dy_s*j+y(k),j＝1,...,P

其中，dy_s为非自衡对象期望速率，y为当前k时刻非自衡对象的过程值。参考轨迹表示为由当前值开始，按照期望斜率逐渐增加的一条未来期望轨迹。

实际操作中，可以根据所述非自衡对象的操作变量与被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹。同时，在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹，并将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。

本发明实施例利用动态层的参考轨迹，进一步调整了所述非自衡对象的操作变量，以使所述非自衡变量能够以更精确的步调达到平衡。

本发明实施例首先建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵，其次，根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。最后，根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明实施例不会导致了稳态与动态的控制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。

参考图2，为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制装置结构示意图，所述装置包括：

建立模块201，用于建立非自衡对象的稳态增益矩阵，所述非自衡对象包括操作变量和被控变量，；

第一确定模块202，用于根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；

调节模块203，用于根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。

具体的，所述装置还可以包括：

设置模块，用于设置所述被控变量的安全约束范围；

追踪模块，用于实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范围。

其中，所述第一确定模块，具体用于：

根据所述稳态增益矩阵和所述非自衡对象包括的干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

另外，所述装置还可以包括：

第二确定模块，用于根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹；

获取模块，用于在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；

调整模块，用于将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。

本发明实施例建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明实施例不会导致了稳态与动态的控制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明实施例所提供的非自衡对象的控制方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种非自衡对象的控制方法，其特征在于，非自衡对象包括操作变量和被控变量，所述方法包括：

建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；

根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；

根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值；

设置所述被控变量的安全约束范围；

实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非自衡对象还包括干扰变量，其中，所述根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系，具体为：

根据所述稳态增益矩阵和所述干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹；

在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；

将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。

4.一种非自衡对象的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

建立模块，用于建立非自衡对象的稳态增益矩阵，所述非自衡对象包括操作变量和被控变量；

第一确定模块，用于根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；

调节模块，用于根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值；

设置模块，用于设置所述被控变量的安全约束范围；

追踪模块，用于实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范围。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：

根据所述稳态增益矩阵和所述非自衡对象包括的干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二确定模块，用于根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制参考轨迹；

获取模块，用于在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；

调整模块，用于将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。