CN110109360B - 一种工业过程广义大琳响应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业化工过程广义大琳响应控制方法，包括如下步骤：步骤1、建立带扰动的系统离散被控过程线性模型，定义新型广义输入得到离散系统的广义过程模型；步骤2、引入闭环等效的离散大琳控制算法，结合广义过程模型设计广义大琳响应控制器。本发明通过数据采集、模型建立、预测机理、优化等手段，可有效提高系统的控制性能。

Description

一种工业过程广义大琳响应控制方法

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种工业化工过程广义大琳响应控制方法。

背景技术

随着微型计算机技术的普及和先进控制理论的快速发展，在现代工业生产过程中，先进的工业生产技术通过计算机控制能够快速、高效地实现产品的大量生产。而现在工业上对被控对象的调节控制主要存在以下几个普遍的问题：过程纯滞后的时间较长，控制系统的自衡性较差，存在于工作过程中的干扰因素众多等，这些不仅会影响系统的控制性能，还会带来一些生产安全问题。针对上面的工业控制问题，利用计算机的快速计算能力和广义控制的稳定性，提出一种快速稳定的数字化控制方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是为了有效的处理系统过程纯滞后、系统鲁棒性和自衡性问题，而提出了一种工业化工过程广义大琳响应控制方法。该方法首先建立一个带扰动的系统离散被控过程线性模型，定义新型的广义输入得到离散系统的广义过程模型；然后，引入闭环等效的离散大琳控制算法，结合广义过程模型设计广义大琳响应控制器。最后以电加热炉炉温控制为例，说明能够有效的处理系统过程纯滞后、系统鲁棒性和自衡性问题。

本发明方法的步骤包括：

步骤1、建立离散系统的广义过程模型，具体步骤如下：

1.1首先建立带有干扰的系统离散被控过程线性模型，表示如下：

其中，z是离散变换因子，y(z)、u(z)、d_i(z)分别是过程输出、输入和第i个扰动的z变换；G_u(z)、G_i(z)分别为过程被控对象和第i个扰动的脉冲传递函数。

1.2根据内模控制原理，建立系统的控制过程模型，如下；

其中，

是系统内部模型脉冲传递函数，一般设为

G_u+(z)是全通滤波器脉冲传递函数，包含时滞和有半平面零点，G_u-(z)是具有最小相位系统脉冲传递函数；G_I(z)为内模控制脉冲传递函数模型，且G_I(z)＝G_u-(z)^-1F(z)，

λ为滤波系数，F(z)为滤波器脉冲传递函数，G_u-(z)^-1为G_u-(z)的倒数，z^-1为差分算子。

1.3根据系统的模型对偶控制，将步骤1.1中的过程模型改写为如下形式：

其中，

A(z)为G_u(z)、∑G_I(z)的最小公分母多项式，B₊(z)为

传递函数带z^-1项和时间延迟的零点多项式，B_-(z)为所有在开单位圆内零点的多项式，C_j(z)为不稳定极点脉冲传递函数的系数多项式；z^-i为z^-1的i次方；a_i、β_i、b_i、c_ij分别为第i个干扰下对于过程的系数。

1.4根据步骤1.3，定义一个新型的广义输入，形式如下：

V(z)＝Q(z)B_-(z)u(z)+P(z)y(z)

其中，

V(z)是定义的新型广义输入z变换形式，p_i,q_i是对应过程系数。

1.5根据步骤1.4，可以将步骤1.3中的过程模型改写为，如下形式：

其中，T(z)是过程极点多项式，且T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)。

再根据步骤1.2中的内模控制模型形式，将上式等效为闭环过程，可得到：

为广义被控对象脉冲传递函数，

为等效误差，G_I(z)＝T(z)M(z)，M(z)＝F(z)/B₊(z)；与步骤1.1类比可得到T(z)的多项式形式类比于A(z)的形式，采用收缩原开环极点配置方法可得到：

将其带入式T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)中，通过丢番图方程求解可得Q(z)和P(z)，0≤α≤1为模型广义调节参数。

步骤2、设计广义大琳系统的过程控制器，具体步骤如下：

2.1引入大琳控制算法，定义系统的闭环传递函数，形式如下：

其中，y_sp(z)为系统设定值的z变换形式，

系统大琳调节参数，T为采样周期，T_c为闭环系统的时间常数；z^-N-1为z^-1的N+1次方，N是在系统纯滞后τ中最大的采样周期次数；K_u＝B₊(1)，为广义大琳系统的稳态增益；D(z)为系统的反馈控制器。

2.2根据步骤2.1可以求得系统控制器的形式，如下所示：

2.3根据步骤1.4、步骤1.5和步骤2.2可以得到广义大琳系统的过程控制量，如下：

Q(z)B-(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]u(z)

＝T(z)(1-σ)z^-N-1e(z)-P(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]y(z)

其中，e(z)＝y_sp(z)-y(z)，为系统过程误差。

2.4根据步骤2.1到步骤2.3，依次做循环求解基于一种工业过程广义大琳响应控制的控制量u(z)，再将其作用于被控对象。

本发明通过数据采集、模型建立、预测机理、优化等手段，提出了一种工业过程广义大琳响应控制方法，该方法可有效提高系统的控制性能。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明。

以实际过程中电加热炉炉内温度控制过程举例：

其中，电加热炉炉内温度为电加热炉系统的被控对象，并以继电器通断时间占空比的调节作为电加热炉炉内温度控制过程的控制量。通过对继电器通断时间占空比的调节控制，来实现对电加热炉炉内温度的有效控制。

步骤1、建立离散电加热炉炉内温度控制系统的广义过程模型，具体步骤如下：

1.1首先建立带有干扰的离散电加热炉炉内温度控制系统的过程线性模型，表示如下：

其中，z是离散变换因子，y(z)、u(z)、d_i(z)分别是电加热炉炉内温度控制过程温度变量、继电器通断时间占空比和第i个扰动的z变换；G_u(z)、G_i(z)分别为电加热炉炉内温度控制过程的脉冲传递函数和第i个扰动的脉冲传递函数。

1.2根据内模控制原理，建立电加热炉炉内温度控制系统的控制过程模型，如下；

其中，

是电加热炉炉内温度控制系统内部模型脉冲传递函数，一般设为

G_u+(z)是全通滤波器脉冲传递函数，包含时滞和有半平面零点，G_u-(z)是具有最小相位系统脉冲传递函数；G_I(z)为内模控制脉冲传递函数模型，且G_I(z)＝G_u-(z)^-1F(z)，

λ为滤波系数，F(z)为滤波器脉冲传递函数，G_u-(z)^-1为G_u-(z)的倒数，z^-1为差分算子。

1.3根据电加热炉炉内温度控制系统的模型对偶控制，将步骤1.1中的电加热炉炉内温度控制过程模型改写为如下形式：

其中，

a₀＝1，

A(z)为G_u(z)、∑G_I(z)的最小公分母，B₊(z)为

传递函数带z^-1项和电加热炉炉内温度控制过程时间延迟的零点多项式，B_-(z)为所有在开单位圆内零点的多项式，C_j(z)为不稳定极点脉冲传递函数的系数多项式；z^-i为z^-1的i次方；a_i、β_i、b_i、c_ij分别为第i个干扰下对于过程的系数。

1.4根据步骤1.3，定义一个新型的电加热炉炉内温度控制系统的广义输入，形式如下：

V(z)＝Q(z)B_-(z)u(z)+P(z)y(z)

其中，

V(z)是定义的新型广义电加热炉炉内温度控制系统中继电器通断时间占空比调节的z变换形式，p_i,q_i是对应过程系数。

1.5根据步骤1.4，可以将步骤1.3中的电加热炉炉内温度控制过程模型改写为，如下形式：

其中，T(z)是电加热炉炉内温度控制过程极点多项式，且T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)。

再根据步骤1.2中的内模控制模型形式，将上式等效为闭环过程，可得到：

为电加热炉炉内温度控制过程的广义被控对象脉冲传递函数，

为电加热炉炉内温度控制过程等效误差，G_I(z)＝T(z)M(z)，M(z)＝F(z)/B₊(z)，与步骤1.1类比可得T(z)的多项式形式类比于A(z)的形式，采用收缩原开环极点配置方法可得到：

将其带入式T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)中，通过丢番图方程求解可得Q(z)和P(z)，0≤α≤1为电加热炉炉内温度控制过程模型广义调节参数。

步骤2、设计广义大琳电加热炉炉内温度控制系统的继电器通断时间占空比调节控制器，具体步骤如下：

2.1引入大琳控制算法，定义电加热炉炉内温度控制系统的闭环传递函数，形式如下：

其中，y_sp(z)为电加热炉炉内温度设定值，

电加热炉炉内温度控制系统大琳调节参数，T为采样周期，T_c为闭环电加热炉炉内温度控制系统的时间常数；z^-N-1为z^-1的N+1次方，N是在电加热炉炉内温度控制系统纯滞后τ中最大的采样周期次数；K_u＝B₊(1)，为广义大琳控制过程的稳态增益；D(z)为电加热炉炉内温度控制系统的继电器通断时间占空比反馈控制器。

2.2根据步骤2.1可以求得电加热炉炉内温度控制系统的继电器通断时间占空比反馈控制器的形式，如下所示：

2.3根据步骤1.4、步骤1.5和步骤2.2可以得到电加热炉炉内温度广义大琳控制系统的继电器通断时间占空比调节量，如下：

Q(z)B-(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]u(z)

＝T(z)(1-σ)z^-N-1e(z)-P(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]y(z)

其中，e(z)＝y_sp(z)-y(z)，为电加热炉炉内温度控制系统的过程误差。

2.4根据步骤2.1到步骤2.3，依次做循环求解基于电加热炉炉内温度控制过程广义大琳响应控制的继电器通断时间占空比调节量u(z)，再将其作用于电加热炉炉内温度控制对象。

Claims (2)

1.一种工业化工过程广义大琳响应控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立带扰动的系统离散被控过程线性模型，定义新型广义输入得到离散系统的广义过程模型；

步骤2、引入闭环等效的离散大琳控制算法，结合广义过程模型设计广义大琳响应控制器；

所述步骤1具体如下：

1.1首先建立带有干扰的系统离散被控过程线性模型，表示如下：

其中，z是离散变换因子，y(z)、u(z)、d_i(z)分别是过程输出、输入和第i个扰动的z变换；G_u(z)、G_i(z)分别为过程被控对象和第i个扰动的脉冲传递函数；

1.2根据内模控制原理，建立系统的控制过程模型，如下；

其中，

是系统内部模型脉冲传递函数，一般设为

G_u+(z)是全通滤波器脉冲传递函数，包含时滞和有半平面零点，G_u-(z)是具有最小相位系统脉冲传递函数；G_I(z)为内模控制脉冲传递函数模型，且G_I(z)＝G_u-(z)^-1F(z)，

λ为滤波系数，F(z)为滤波器脉冲传递函数，G_u-(z)^-1为G_u-(z)的倒数，z^-1为差分算子；

1.3根据系统的模型对偶控制，将步骤1.1中的过程模型改写为如下形式：

其中，

a₀＝1，

β₀≠0，

b₀≠0，

A(z)为G_u(z)、∑G_I(z)的最小公分母多项式，B₊(z)为

传递函数带z^-1项和时间延迟的零点多项式，B_-(z)为所有在开单位圆内零点的多项式，C_j(z)为不稳定极点脉冲传递函数的系数多项式；z^-i为z^-1的i次方；a_i、β_i、b_i、c_ij分别为第i个干扰下对于过程的系数；

1.4根据步骤1.3，定义新型广义输入，形式如下：

V(z)＝Q(z)B_-(z)u(z)+P(z)y(z)

其中，

q₀＝1；V(z)是定义的新型广义输入z变换形式，p_i,q_i是对应过程系数；

1.5根据步骤1.4，将步骤1.3中的过程模型改写为，如下形式：

其中，T(z)是过程极点多项式，且T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)；

再根据步骤1.2中的内模控制模型形式，将上式等效为闭环过程，可得到：

为广义被控对象脉冲传递函数，

为等效误差，G_I(z)＝T(z)M(z)，M(z)＝F(z)/B₊(z)；与步骤1.1类比可得到T(z)的多项式形式类比于A(z)的形式，采用收缩原开环极点配置方法可得到：

将其带入式T(z)＝A(z)Q(z)+B₊(z)P(z)中，通过丢番图方程求解可得Q(z)和P(z)，0≤α≤1为模型广义调节参数。

2.如权利要求1所述的工业化工过程广义大琳响应控制方法，其特征在于：所述步骤2具体如下：

2.1引入大琳控制算法，定义系统的闭环传递函数，形式如下：

其中，y_sp(z)为系统设定值的z变换形式，

系统大琳调节参数，T为采样周期，T_c为闭环系统的时间常数；z^-N-1为z^-1的N+1次方，N是在系统纯滞后τ中最大的采样周期次数；K_u＝B₊(1)，为广义大琳系统的稳态增益；D(z)为系统的反馈控制器；

2.2根据步骤2.1求得系统控制器的形式，如下所示：

2.3根据步骤1.4、步骤1.5和步骤2.2得到广义大琳系统的过程控制量，如下：

Q(z)B_-(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]u(z)＝T(z)(1-σ)z^-N-1e(z)-P(z)[K_u(1-σz^-1)-(1-σ)z^-N-1B₊(z)]y(z)

其中，e(z)＝y_sp(z)-y(z)，为系统过程误差；

2.4根据步骤2.1到步骤2.3，依次做循环求解的控制量u(z)，再将其作用于被控对象。