CN108628288B - 一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法 - Google Patents

一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法 Download PDF

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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring

Abstract

本发明涉及一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，包括以下步骤：使用绝对误差积分性能指标对系统动态过程性能进行评价，并以此为标准对控制器进行优化，使得系统满足其性能指标范围；在优化的控制器基础上对其鲁棒性指标进行分析，通过监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线，对控制器参数进一步调整，使得其控制性能最大化。使用本发明指导新设计的组合积分控制器对于一阶时滞组合积分过程的控制效果有着响应速度快，鲁棒性能好的特点。

Description

一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法。
背景技术
现如今，一个完整的流程工业生产过程中有着成百上千个不同类型的控制回路，它们均在不同的条件下运转。同时，应用于它们的控制器也是不尽相同，如：PID控制器及其各种改进型控制器、Smith预估控制器、预测PI/PID控制器等。如何针对控制器的性能进行评价和优化直接影响到整个控制系统的控制效果。一般地，控制器性能的评价主要分为：采集控制系统运行数据、选择制定性能评价准则、设计基准控制器、针对控制器作出性能评价、制定调整方案等几步。
针对相对应的被控对象设计其基准控制器，是控制器性能评价和优化的重要步骤之一，选择恰当合适的控制策略是是否能够对控制回路性能进行准确评价的基础。在对实际的工业控制回路进行评价是，主要考虑其稳定性、准确性以及快速性三个方面。针对控制器不同的性能有着不同的评价方法，常见的有随机扰动抑制能力、系统给定输入信号的跟踪能力、负载扰动抑制能力等。往是选取其中两种或多种性能进行控制器性能指标准则制定，为优化控制器提供参考依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，能够同时对控制系统的动态性能和负载扰动的抑制能力进行评价。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，包括以下步骤：
(1)使用绝对误差积分性能指标对系统动态过程性能进行评价，并以此为标准对控制器进行优化，使得系统满足其性能指标范围；
(2)在优化的控制器基础上对其鲁棒性指标进行分析，通过监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线，对控制器参数进一步调整，使得其控制性能最大化。
所述步骤(1)中以
Figure RE-GDA0001695771500000011
为准则对系统中的组合积分控制器进行性能评价，其中，IAEd为绝对误差积分，τ1为系统第一滞后时间，τ2为系统第二滞后时间。
所述步骤(2)中监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线时，如果鲁棒性指标η不满足1.5≤η≤2.5，则进行控制器参数整定。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明由绝对误差积分性能和与鲁棒性能两个性能指标综合而成，绝对误差积分性能指标对系统的动态性能进行评价，鲁棒性能指标用于对系统抑制负载扰动的能力进行评价。这种性能评价方法易在实际工程中进行应用，具有明确的实际意义。
附图说明
图1为一阶时滞组合积分对象的绝对误差积分性能分析图；
图2为一阶时滞组合积分控制系统较差控制条件下的响应曲线图；
图3为一阶时滞后组合积分控制系统鲁棒性指标与控制器参数λ间的变化关系曲线图；
图4为一阶时滞组合积分控制系统中控制器整定前后以及控制器参数λ优化前后的阶跃响应曲线图；
图5为一阶时滞组合积分控制系统性能优化前后的绝对误差性能指标对比曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，包括以下步骤：使用绝对误差积分性能指标对系统动态过程性能进行评价，并以此为标准对控制器进行优化，使得系统满足其性能指标范围；在优化的控制器基础上对其鲁棒性指标进行分析，通过监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线，对控制器参数进一步调整，使得其控制性能最大化。
由此可见，本发明通过以组合积分控制系统特性为基准，将绝对误差积分性能指标与鲁棒性能指标相结合对其制定性能评价准则，绝对误差积分性能指标主要用于评价其控制系统的动态性能，鲁棒性能指标主要用于评价其系统对于负载扰动的抑制能力。这种评价准则结果明确，同时易于在实际操作过程中实现。
首先取具有如式1所示的一阶时滞组合积分对象。
Figure RE-GDA0001695771500000031
系统输入的阶跃信号给定为r(t)＝l(t),t≥0，则此时系统的单位阶跃响应如式2所示。
Figure RE-GDA0001695771500000032
由绝对误差积分(IAE)性能指标的定义，对于一阶时滞组合积分系统的阶跃响应而言， IAE指标误差由三部分组成(见图1)。第一部分取决于系统滞后时间的大小，后两部分误差与系统第一滞后时间τ1有关，当系统第一滞后时间τ1较大时上升误差变大，而由于组合积分环节的特殊性，其受到干扰后的误差面积变大，但扰动幅度降低，反之，误差面积较小，但尖峰幅值较高。当组合积分过程中系统第一滞后时间τ1越小系统上升速度越快，此时第二部分误差也会随之变小。一般地，为了保证组合积分控制系统具有较好的鲁棒性，τ1值不易选择过小的值。假定系统处于无扰动或无模型失配条件下时，针对时滞组合积分过程，即
Figure RE-GDA0001695771500000033
时，可实现最小IAEd可由式3近似表示。
Figure RE-GDA0001695771500000034
工业过程控制中扰动以及模型失配一直是一个难以避的问题，那么可将IAEd确定在如式4所示的范围内即认为系统有较为满意的控制品质。
Figure RE-GDA0001695771500000035
当对实际的一阶时滞组合积分控制系统进行绝对误差积分性能分析(IAE)时，即可以式4为准则对系统中的组合积分控制器进行性能评价。
对于一阶时滞组合积分对象，利用组合积分先进控制算法进行控制后，其控制器结构为：
Figure RE-GDA0001695771500000036
此时期望的系统闭环传递函数为：
Figure RE-GDA0001695771500000041
则系统的开环传递函数为：
Figure RE-GDA0001695771500000042
上式中，τ2为系统第二滞后时间，λ为控制器参数。
为了方便频域分析，上式可以进一步写为：
Figure RE-GDA0001695771500000043
根据对于鲁棒性性能指标，将其运用于组合积分系统则不难得到：
Figure RE-GDA0001695771500000044
其中：
Figure RE-GDA0001695771500000045
而鲁棒性指标定义如式11所示。
Figure RE-GDA0001695771500000046
针对一阶时滞组合积分控制系统制定其性能评价流程如下：
(1)首先对组合积分对象分别利用脉冲响应，对其滞后时间τ1、τ2进行估计，之后再组合积分对象的差分方程，对其动态参数进行估计，从而进一步计算出得到过程参数k；
(2)利用第一步中所估计出的一阶组合积分过程，对其设计组合积分控制器，并对系统动态过程的绝对误差积分(IAE)的值进行监测，并对其进行量化转换得到IAEd的值；
(3)若此时，不满足
Figure RE-GDA0001695771500000047
则系统进入参数整定环节；若满足该指标，则利用此时控制器的参数值来对鲁棒性指标η进行估计，观察其是否满足1.5≤η≤2.5，不满足则进行控制器参数整定；
(4)当系统性能指标满足
Figure RE-GDA0001695771500000051
调整控制器参数λ，使得系统具有较强的鲁棒性。
下面通过一个具体的实施例来对一阶时滞组合积分系统进行评价。
考虑组合积分过程：
Figure RE-GDA0001695771500000052
假定其实际运行中的组合积分控制器为：
Figure RE-GDA0001695771500000053
该过程的系统阶跃响应曲线如图2所示。通过系统IAE动态变化曲线可以看到，当系统运行到200s之后，IAE稳定约为15.5，对其进行量化后
Figure RE-GDA0001695771500000054
故系统进入参数整定流程。假定已通过已通过其他实验方法得到滞后时间τ1、τ2以及其他所有过程参数。这里假定对其进行优化后所得到的新的控制器如式13所示。
Figure RE-GDA0001695771500000055
此时控制器参数λ＝0.8，引入鲁棒性指标，结合如图3所示的一阶时滞组合积分控制系统的鲁棒性指标与控制器参数λ的关系曲线可知。系统鲁棒性随着控制器参数λ的增大而增强，但系统响应速度也随着变慢。通过观察其变化曲线可以看出，当控制器参数λ大于2.5之后，系统鲁棒性能指标虽然能够满足要求，但系统响应速度也相对较慢，而在控制器参数λ取约0.25～0.75之间时，系统鲁棒性指标也满足要求。当λ＝0.5时，系统鲁棒性能指标η＝2.0568，满足鲁棒性指标范围。
通过图2、图3、图4、图5的仿真曲线可以看出，该发明对于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价由优化有着良好的指导作用。通过该评价方法的指导，使得新设计的组合积分控制器对于一阶时滞组合积分过程的控制效果有着响应速度快，鲁棒性能好的特点，且具有良好的实际意义。

Claims (2)

1.一种用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用绝对误差积分性能指标对系统动态过程性能进行评价，并以此为标准对控制器进行优化，使得系统满足其性能指标范围；其中，以
Figure FDA0002765222530000011
为准则对系统中的组合积分控制器进行性能评价，其中，IAEd为绝对误差积分，τ1为系统第一滞后时间，τ2为系统第二滞后时间；
(2)在优化的控制器基础上对其鲁棒性指标进行分析，通过监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线，对控制器参数进一步调整，使得其控制性能最大化。
2.根据权利要求1所述的用于一阶时滞组合积分控制系统的性能评价方法，其特征在于，所述步骤(2)中监测系统鲁棒性指标与控制器参数间的变化曲线时，如果鲁棒性指标η不满足1.5≤η≤2.5，则进行控制器参数整定。
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