CN107367939A - 基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，双重控制系统包括主、副控制对象及分别用于控制主、副控制对象的主、副控制器，所述主、副控制器均采用组合积分控制器。将组合积分控制器应用于双重控制系统的快、慢响应回路中，取代原先使用的传统PID控制器，使得系统稳态误差、超调量与达到稳态时间减小，并提升了系统的鲁棒性能。本发明将组合积分控制器与双重控制系统结合使用，组合积分控制器的滤波功能提升了系统抑制噪声的能力。系统能够迅速达到稳定值，响应速度很快，且超调量很小，几乎没有稳态误差。系统输出最终达到一个稳定值后，当加入干扰时，系统能够迅速恢复到原稳定状态，具有良好的鲁棒性能。
Description
技术领域
本发明涉及流程工业控制技术领域，特别是涉及一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法。
背景技术
在当今的烟草、石油、化工等常见的工业过程中，传统PID控制器仍然是应用范围最为广泛的一种控制器。然而，在实际工业应用如烟草加工等过程中，常常存在着多种干扰因素，且被控对象通常还存在大滞后与强非线性的情况。当前，在大量的工业过程中，这些对象通常被近似为一阶环节，并使用简单的单回路控制系统以及传统PID控制器对其进行控制。这种方法能够基本满足实际工业生产的需求。但随着现代工业生产对产品质量、加工精度及能源消耗控制等因素的要求越来越严格，简单的单回路控制系统以及基于传统PID控制器的控制算法已经开始变得难以适应不断发展的工业需求。
同时，在流程工业技术领域，由于大滞后与强非线性情况的普遍存在，许多被控对象使用传统PID控制器都难以得到令人满意的控制效果，常常具有响应时间较长、超调量较大、稳态误差较大的特点，且当外界干扰作用于控制系统时，鲁棒性能不佳，严重影响了系统的性能，导致输出无法满足控制要求。因此，国内外的一些学者已经提出了一系列较为复杂的先进控制理论。其中双重控制是一种研究较为成熟的控制理论，并且已经在如蒸汽减压、原油温度控制等实际工业过程中得到了应用，并取得了较为良好的效果。双重控制系统具有快慢结合的特点，同时，其在处理具有大滞后特性等的控制对象时具有较好的抗干扰特性与鲁棒性。
另一方面，把工业过程中的被控对象近似处理为一阶加纯滞后环节是最常用的方法。在这一方法的基础上提出了，包括应用最为广泛的传统PID控制算法，在内的多种算法。控制器的参数整定也是在被控对象的一阶加纯滞后环节传递函数的基础上，使用Z-N经验公式法、Cohen-Coon法等得到。在应用中，这种方法已经被证明越来越难以满足工业生产过程对精确度等方面的需要。因此一些先进控制算法的开发对于提高生产效率与企业效益具有重要的意义。
在烟草、钢铁、化工等工业过程中，一些改进后的控制算法如Smith预估控制算法、内模控制算法等已经部分应用于对大滞后、强非线性环节的控制，但其控制性能仍有较大不足之处。因此，对此类控制对象的控制问题仍是流程工业控制环节的难点问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何进一步提高流程工业领域控制系统的控制性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，双重控制系统包括主、副控制对象及分别用于控制主、副控制对象的主、副控制器，其特征在于：所述主、副控制器均采用组合积分控制器。
优选地，所述组合积分控制器的输入/输出关系由下式表示：
其中，τ为控制对象滞后时间，Kp为增益、T为积分时间常数，e(s)为输入与输出之间的偏差，u(s)为输出。
优选地，所述主、副控制器均采用组合积分控制器后的系统控制对象由组合积分环节传递函数表示，形式为：
其中，Gi(s)为一不含积分环节的稳定多项式；对象的每一项必定包含形式，以保证系统稳定性，k为增益参数，τ为滞后时间；时滞常数τ1i、τ2i。必须满足方程：τ2i＝τ2(i-1)+τ1(i-1)，1＜i＜n，以保证对象响应的连续性，不会出现突然跳跃。
本发明将组合积分控制器应用于双重控制系统中的快、慢响应回路中，取代原先使用的传统PID控制器，使得系统稳态误差、超调量与达到稳态时间减小，并提升系统的鲁棒性能。组合积分控制器的原理来自于算术平均值滤波环节，该环节相当于一个低通滤波器，使得组合积分控制器具备一定的抗噪声能力，能够完全抑制一些特定的周期性信号。
应用上述的技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将组合积分控制器与双重控制系统结合使用，组合积分控制器的滤波功能提升了系统抑制噪声的能力。系统能够迅速达到稳定值，响应速度很快，且超调量很小，几乎没有稳态误差。系统输出最终达到一个稳定值后，当加入干扰时，系统能够迅速恢复到原稳定状态，具有良好的鲁棒性能。
附图说明
图1为组合积分控制器的结构图；
图2为双重控制系统的结构图；
图3为本发明方法控制下存在干扰情况时系统控制响应波形图；
图4为本发明方法控制下存在模型失配及干扰情况时系统控制响应波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提供了一种组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，该控制方法将组合积分控制器用于双重控制系统中快、慢响应回路的控制，以取代原先应用的传统PID控制器。原先应用于双重控制系统中快、慢响应回路控制的传统PID控制器，在处理具有大滞后、强非线性的被控对象时，系统响应时间长，超调严重，稳态误差较大，系统达不到一个稳定的状态，其控制性能性能难以适应流程工业过程的实际需求。例如在烟草工业的烘丝环节中，这一控制方案将导致系统温度上下波动，造成烟丝出口的水分不稳定，进而影响烟丝的品质。而组合积分控制器的原理来源于算术均值滤波，其在系统中的作用相当于一个低通滤波器，能够有效抑制周期性信号的干扰，缓冲因引入周期性干扰引起的系统超调量，并使系统最终能够迅速达到稳定状态，且可以提高系统的鲁棒性能，减少生产过程中的人工操作。
本发明的原理是：
(1)组合积分控制器与双重控制系统结合，利用组合积分控制器的算术均值滤波的原理，发挥其抑制周期性干扰信号作用良好的特点，将这一控制器应用到双重控制系统的快、慢响应回路的控制过程中，提升系统的控制性能，加强系统的抗干扰性。
(2)组合积分控制器。
如图1所示为组合积分控制器的结构，控制器的输入/出关系为：
其中，在系统设计过程中控制开、闭环系统响应的速度相等。τ为控制对象滞后时间，Kp为增益、T为积分时间常数，e(s)为输入与输出之间的偏差，u(s)为输出。
组合积分控制器来源于实际工业生产过程中的组合积分控制对象，以过去一段时间控制器输出平均值为基础。组合积分对象具有开环稳定的特性，传递函数形式如下：
上述传递函数中，Gi(s)为一不含积分环节的稳定多项式；对象的每一项必定包含形式，k为增益参数，τ为滞后时间，保证系统稳定性；时滞常数τ1i、τ2i必须满足方程：
τ2i＝τ2(i-1)+τ1(i-1)，1＜i＜n
从而以保证对象响应的连续性。组合积分过程同时具有积分和最小相位特性。
组合积分对象在烟草、化工、冶金等流程工业过程中广泛存在，其可分类为无时滞与有时滞组合积分对象、单与多组合积分对象等。而目前的实际工业过程在这些环节常被简化为一阶加纯滞后(FOPDT)环节。而通过机理建模等方法，可以得到5种组合积分对象的传递函数模型如下：
①
②
③
④
⑤
实际上，组合积分控制器对于最常见的一阶加纯滞后环节同样具有良好的控制性能。一阶加纯滞后(FOPDT)环节控制对象的传递函数形式如下：
其中，Kp、T、τ分别为模型的放大系数、时间常数以及纯滞后时间。
在单位负反馈系统中，其闭环传递函数如下：
其中，Gc(s)为控制器传输函数，Gp(s)为被控对象传递函数。
变换后得到控制器的传递函数如下：
设期望的闭环传递函数为：
令λ＝1，则开环和闭环系统响应时间相等。将(8)、(9)式代入(10)式得到组合积分控制器的传递函数：
由此得到组合积分控制器的输入输出关系：
其中，e(s)为系统输入输出之间的误差，u(s)为控制器的输出。
具有形式的环节即被定义为组合积分环节。设存在一个输入信号f(t)，取其Laplace变换F(s)并与上述环节相乘，得到
求取上式的Laplace反变换，得到
上式的结果即可认为是将输入信号f(t)在时间区间[t-τ，t]上积分后，取在这一长度为τ的时间段内的均值。从本质上分析，这一传递函数形式起到算术平均值滤波的作用，即相当于一个均值滤波器。因此可得组合积分控制器的输出为当前的输入与过去一段时间[t-τ，t]内输出的平均值的结合，能够完全抑制一些带有特定周期的周期性信号。
(3)双重控制系统。
系统对于一个被控变量采用两个操纵变量进行控制。系统采用两个控制器，其中有一个控制器的输出作为另一个称为阀位控制器的测量信号。系统增加了一个具有快速响应的回路，因而具有以下特殊的功能。
(1).增加了开环零点，改善了控制品质，提高了系统的稳定性。
(2).工作频率提高。
(3).动静结合，快慢结合。能先用主控制器的作用保证了系统具有良好的动态响应，同时发挥了副控制器缓慢的调节作用，使系统具有较好的静态性能，较好地解决了动静的矛盾，实现操作的优化的目的。
下面以烟草工业中的烘丝过程为具体实例来进一步阐述本发明。
卷烟厂制丝线和掺贮线的烟叶经过叶预处理工段后进入烘丝工段，对烟丝中含水量的控制是烘丝工段中最主要的目的。在烘丝筒中，烟丝经过饱和蒸汽的处理后，所含水分将会被蒸发出来并通过热风散发出去。经过此道工序后实现了烟丝水分的控制。传统的烘丝机水分控制系统中，通常采用简单的单回路控制系统方法，例如：固定筒壁温度、调节排潮量或者固定排潮量、控制筒壁温度。这种控制系统方法控制性能不能令人满意，两种控制的方式各自的优势无法在单回路控制方式中得到有效的结合。
烘丝过程中，影响烟丝出口水分主要考虑以下两个因素：
A、排潮量
通过控制烘丝筒的排潮阀门开度的大小可以有效地影响烘丝筒中烟丝的脱水效果，排潮量越大则烟丝出口水分就越低。控制排潮量的方式具有动态响应迅速的特点，但排潮阀门的开度偏大时会使得烟丝香气大量流失，从而对烟丝的品质等产生负面影响。
B、筒壁温度
通过调节烘丝筒筒壁温度的方式亦可以实现对烟丝出口水分含量的控制，烟丝筒筒壁温度与烟丝出口水分成反比。这一过程通常通过控制烘丝筒壁的蒸汽压力实现。但是控制筒壁温度的方式其时间常数较大，存在较大的滞后，动态响应速度较慢。
如图2所示，排潮量与筒壁温度的各自特点使得这一系统非常适合于应用双重控制模型。排潮量控制回路定义为快响应回路，筒壁温度控制回路定义为慢响应回路。Gc1(s)与Gc2(s)分别为快、慢响应回路控制器，均采用组合积分控制器取代原先应用的传统PID控制器。Go1(s)为快响应回路控制对象，即烘丝过程中的排潮阀位控制对象；Go2(s)为慢响应回路控制对象，即筒壁温度阀位控制对象。r1(s)为输入相应，r2(s)为排潮阀位开度控制量，y(s)为输出响应，Gm(s)为反馈回路控制器。
对图2系统进行仿真实验，加入阶跃输入，并在250s时加入阶跃干扰信号，控制效果如图3所示。可见系统响应迅速，且超调量与稳态误差几乎不存在，当干扰影响系统时，输出迅速回到稳定状态。调整控制对象传递函数的参数，考虑模型失配条件下系统的控制响应及鲁棒性能。仿真结果如图4所示。可见系统在模型失配的情况下仍具有优秀的控制性能，超调量仅略有增加，且响应迅速。系统输出最终达到一个稳定值，控制阀位稳定，从而保证系统温度稳定。当干扰影响作用时，系统亦表现出良好的抗干扰性与鲁棒性。
综上，相比使用传统PID控制器的双重控制系统，本发明基于组合积分控制器与双重控制系统的控制方法在控制性能上实现了明显的提升。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，双重控制系统包括主、副控制对象及分别用于控制主、副控制对象的主、副控制器，其特征在于：所述主、副控制器均采用组合积分控制器。
2.如权利要求1所述的一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，其特征在于：所述组合积分控制器的输入/输出关系由下式表示：
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其中，τ为控制对象滞后时间，τ为控制对象滞后时间，Kp为增益、T为积分时间常数，e(s)为输入与输出之间的偏差，u(s)为输出。
3.如权利要求1或2所述的一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，其特征在于：所述主、副控制器均采用组合积分控制器后的系统控制对象由组合积分环节传递函数表示，形式为：
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</mrow>
其中，Gi(s)为一不含积分环节的稳定多项式；对象的每一项必定包含形式，以保证系统稳定性，k为增益参数，τ为滞后时间；时滞常数τ1i、τ2i必须满足方程：τ2i＝τ2(i-1)+τ1(i-1)，1＜i＜n，以保证对象响应的连续性，不会出现突然跳跃。
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