CN105334888B - 一种基于触发机制的网络串级温度控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于触发机制的网络串级温度控制系统及方法，包括主控制器，主控制器通过网络与串级控制回路连接的，主控制器还与自校正控制器连接；所述串级控制回路包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；所述外环PID控制回路内设置有事件触发器，所述自校正控制器包括参数调整器和参数估计器。事件触发器通过触发机制工作，根据对主变送器的输出信号与已传送到主控制器的信号进行比较，如果比较值大于给定的触发机制值，则将已传送到主控制器的信号进行更新，如果比较值小于或等于给定的触发机制值，则主控制器不更新输出信号。本发明不仅具有串级控制结构的优点还具有网络控制结构的优点，同时具有更好的适应能力和鲁棒性能。
Description
技术领域
本发明属于温度控制技术领域，特别涉及一种基于触发机制的网络串级温度控制系统及其控制方法。
背景技术
随着社会和经济发展，许多先进控制技术和方法应用到自动控制系统中。例如网络控制、串级控制等。其中网络控制系统成为自动化和控制领域以及计算、通信领域技术发展的热点之一。网络控制系统具有连线少、扩展方便、易于维护、资源共享、远程控制等优点，已被广泛应用于自动化制造、化工行业、航空航天、电力行业等复杂的工业系统中。
网络引入自动控制系统中，在带来许多优点的同时，也增加了控制系统分析与设计的复杂性，例如由于网络中传输数据较多，在信息传输中，由于网络带宽有限，不可避免的会出现网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象。克服网络引入带来的复杂性，是需要考虑的问题。
另外，目前国内外关于控制系统的研究和应用主要是针对单回路控制系统，与单回路控制系统相比，串级控制系统具有更多优点，例如可以提高控制系统性能，尤其是在系统具有外部扰动的情况下，能够及时调整、快速稳定、减少扰动对系统的影响。另外，与单回路控制系统相比，串级控制系统设计时需要考虑更多的问题。
对于网络连接的串级温度控制系统研究的难点在于：网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象具有不可预测性，网络的引入可能导致系统性能下降甚至造成系统不稳定，同时也会给控制系统的分析和设计带来困难。
因此，如何提高由于网络引入，造成串级温度控制系统性能下降已成为需要解决的关键问题之一。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可以迅速克服外界扰动对系统的影响，防止串级温度控制系统性能下降，提高系统稳定性，从而实现优化控制的基于触发机制的网络串级温度控制系统及其方法。
技术方案：为解决现有技术中存在的以上问题，本发明提供一种基于触发机制的网络串级温度控制系统及方法，其特征在于：包括主控制器，主控制器通过网络与串级控制回路连接的，主控制器还与自校正控制器连接；所述串级控制回路包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；
所述外环PID控制回路包括主控制器、副控制器、执行器、副被控对象、主被控对象、主变送器和事件触发器并通过网络连接；
所述内环PID控制回路包括副控制器、执行器、副被控对象和副变送器；
所述自校正控制器包括参数调整器和参数估计器，自校正控制器根据副被控对象的输入和主被控对象的输出在线调整主控制器的参数。
进一步的，所述串级控制回路中，主变送器的输出信号经过基于触发机制的触发器后，再将输出信号和已传送到主控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到主控制器的信号进行更新。
进一步的，所述串级控制回路中，主变送器的输出信号经过基于触发机制的触发器后，再将输出信号和已传送到主控制器的信号进行比较，比较值小于或等于给定的触发机制，主控制器不更新输出信号。
进一步的，所述副被控对象的输入和主被控对象的输出通过自校正控制器在线调整控制器的参数。
一种基于触发机制的网络串级温度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：工作于时间驱动方式的主变送器对主被控对象的输出信号x1(t)进行周期采样；
第二步：主变送器将采样后得到的输出信号x1(kh)通过外环PID控制回路传输至事件触发器，其中h为采样周期，kh为第k个采样周期；
第三步：事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算；
第四步：事件触发器的输出信号x1(tkh)通过外环PID控制回路网络传输到主控制器，主控制器对输入的信号进行相应的运算后，通过网络传输到副控制器；
第五步：工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号x2(t)进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到副控制器；
第六步：工作于事件驱动方式的副控制器，通过输入的信号触发，副控制器对给定的信号进行相应的运算，得到副控制器的输出信号；
第七步：副控制器节点将输出信号传输到内环PID控制回路的执行器；
第八步：执行器将输入的信号转换成为能够操纵执行器动作的信号，并经硬件改变操纵变量；
第九步：自校正控制器根据副被控对象的输入和主被控对象的输出，通过实时参数估计器和参数调整器，决定是否需要对主控制器的参数进行在线调整；
第十步：返回第一步。
进一步的，所述第三步中具体的触发机制运算公式如下：
其中Ω为对称正定矩阵，σ为属于(0,1)的正常数，h为采样周期，Ω,σ,h根据实际要求进行设置。(k+j)h为第(k+j)个采样周期，j＝1,2,…，为正整数。
进一步的，所述具体的触发机制运算公式中，输入的采样信号x1((k+j)h)满足公式则信号不被传输至主控制器，即主控制器的信号不被更新。
进一步的，所述具体的触发机制运算公式中，输入的采样信号x1((k+j)h)不满足公式信号通过网络传送至主控制器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用基于触发机制的网络串级控制后，可以迅速克服外界扰动对系统的影响，减少网络数据的传输量，从而提高控制性能和数据传输速率，降低网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象的发生概率，进而提高系统品质。利用自校正控制器对主控制器参数在线调整，可以提高系统稳定性和鲁棒性能，实现优化控制。
附图说明
图1是传统串级加热炉温度控制系统结构示意图；
图2是传统串级加热炉温度控制系统方框图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明的系统方框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1和图2所示，传统串级加热炉温度控制系统具有内外回路。内回路由副变送器、副控制器、执行器和副被控对象组成；外回路由主变送器、主控制器及整个内回路、主被控对象组成。如图3和图4中本发明的温度控制系统也同样具有内外回路即外环PID控制回路和内环PID控制回路。外环PID控制回路中不仅包括主变送器、主控制器及整个内回路、主被控对象，还包括事件触发器构成。通过事件触发器使得本发明不仅具有串级控制系统结构的优点，同时具有网络控制系统结构的优点。传统串级控制系统仅关注单个回路中输入输出数据的传输，不具有网络控制系统结构的优点。
以加热炉温度控制系统为例，如图3所示，主控制器和副控制器为PID控制器，主被控对象、主变送器、主控制器、副控制器之间通过网络进行连接，主变送器的输出作为事件触发器的输入，事件触发器将根据触发机制得到的输出信号通过网络以后作为主控制器的输入信号。副控制器的输出直接控制执行器阀门的开度，实现对燃料流量的调节。
基于触发机制的网络串级温度控制系统的工作原理：当扰动存在于内环PID控制回路时，由于副控制器的存在，副控制器能及时动作，快速抑制扰动，从而具有串级控制结构的优点；在外环PID控制回路中，通过网络进行连接，系统具有网络控制结构的优点；另外，在外环PID控制回路中，事件触发器根据触发机制决定是否需要传送新的数据，以使得主控制器的信息得到更新，从而提高了网络传输速率，降低了由于网络数据传输量大，导致的网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象发生的概率；另外，自校正控制器根据炉膛温度和加热炉出口温度变化情况来决定是否需要调整主控制器参数，从而实现优化控制。
本发明具体实施步骤如下所述：
第一步：工作于时间驱动方式的主变送器对主被控对象的输出信号x1(t)进行周期采样；
第二步：主变送器将采样后得到的输出信号x1(kh)通过外环PID控制回路传输至事件触发器；
第三步：事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算，具体的触发机制运算公式如下：
其中Ω为对称正定矩阵，σ为属于(0,1)的正常数，h为采样周期，Ω,σ,h根据实际要求进行设置。(k+j)h为第(k+j)个采样周期，j＝1,2,…，为正整数。
在上式中，如果输入的采样信号x1((k+j)h)满足上述公式，则将不会被传输。只有当信号大于上式中的更新信号时才能通过网络被传送到主控制器。也就是说，在主变送器节点，只有部分采样信号才能够被传送到主控制器。很明显，对照已有的网络串级控制系统或传统串级控制系统，本发明不仅具有网络控制系统和串级控制系统结构的优点，同时降低了网络通信量，节省了网络带宽。即使是在无线通信网络中，本发明也可以节省传输能量，提高网络通信速率，减少网络传输时延、数据包丢失、网络拥塞等现象发生的概率。
第四步：事件触发器的输出信号x1(tkh)通过外环PID控制回路网络传输到主控制器，主控制器对输入的信号进行相应的运算后，通过网络传输到副控制器；
第五步：工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号x2(t)进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到副控制器；
第六步：工作于事件驱动方式的副控制器，通过输入的信号触发，副控制器对给定的信号进行相应的运算，得到副控制器的输出信号；
第七步：副控制器节点将输出信号传输到内环PID控制回路的执行器；
第八步：执行器将输入的信号转换成为能够操纵执行器动作的信号，并经硬件改变操纵变量；
第九步：自校正控制器根据副被控对象的输入和主被控对象的输出，通过实时参数估计器和参数调整器，决定是否需要对主控制器的参数进行在线调整；
第十步：返回第一步。
以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。
Claims (8)
1.一种基于触发机制的网络串级温度控制系统，包括主控制器，主控制器通过网络与串级控制回路连接的，所述串级控制回路包括外环PID控制回路和内环PID控制回路；
所述外环PID控制回路包括主控制器、副控制器、执行器、副被控对象、主被控对象和主变送器并通过网络连接；
所述内环PID控制回路包括副控制器、执行器、副被控对象和副变送器，其特征在于：主控制器还与自校正控制器连接；所述外环PID控制回路还包括事件触发器并通过网络连接；
所述自校正控制器包括参数调整器和参数估计器，自校正控制器根据副被控对象的输入和主被控对象的输出在线调整主控制器的参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制系统，其特征在于：所述串级控制回路中，主变送器的输出信号经过基于触发机制的触发器后，再将输出信号和已传送到主控制器的信号进行比较，比较值大于给定的触发机制值，需要将已传送到主控制器的信号进行更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制系统，其特征在于：所述串级控制回路中，主变送器的输出信号经过基于触发机制的触发器后，再将输出信号和已传送到主控制器的信号进行比较，比较值小于或等于给定的触发机制，主控制器不更新输出信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制系统，其特征在于：所述副被控对象的输入和主被控对象的输出通过自校正控制器在线调整控制器的参数。
5.采用权利要求1至4之一所述的系统进行温度控制的方法，包括以下步骤：
第一步：工作于时间驱动方式的主变送器对主被控对象的输出信号x1(t)进行周期采样；
第五步：工作于时间驱动方式的副变送器对副被控对象的输出信号x2(t)进行周期采样，并将得到的信号通过内环PID控制回路传输到副控制器；
第六步：工作于事件驱动方式的副控制器，通过输入的信号触发，副控制器对给定的信号进行相应的运算，得到副控制器的输出信号；
第七步：副控制器节点将输出信号传输到内环PID控制回路的执行器；
第八步：执行器将输入的信号转换成为能够操纵执行器动作的信号，并经硬件改变操纵变量；
其特征在于，还包括如下步骤：
第二步：主变送器将采样后得到的输出信号x1(kh)通过外环PID控制回路传输至事件触发器，其中h为采样周期，kh为第k个采样周期；
第三步：事件触发器根据触发机制对输入的信号进行运算；
第四步：事件触发器的输出信号x1(tkh)通过外环PID控制回路网络传输到主控制器，主控制器对输入的信号进行相应的运算后，通过网络传输到副控制器；
第九步：自校正控制器根据副被控对象的输入和主被控对象的输出，通过实时参数估计器和参数调整器，决定是否需要对主控制器的参数进行在线调整；
第十步：返回第一步。
6.根据权利要求5所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制方法，其特征在于：所述第三步中具体的触发机制运算公式如下：
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其中Ω为对称正定矩阵，σ为属于(0,1)的正常数，h为采样周期，(k+j)h为第(k+j)个采样周期，j＝1,2,…，为正整数。
7.根据权利要求6所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制方法，其特征在于：所述具体的触发机制运算公式中，输入的采样信号x1((k+j)h)满足公式则信号不被传输至主控制器，主控制器的信号不被更新。
8.根据权利要求6所述的一种基于触发机制的网络串级温度控制方法，其特征在于：所述具体的触发机制运算公式中，输入的采样信号x1((k+j)h)不满足公式信号通过网络传送至主控制器。
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