CN110347038B - 一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法 - Google Patents

一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法。本发明首先法改进了传统的控制结构，基于大林控制算法，选择期望的闭环传递函数，进而得到相应的PI/PID控制器参数形式，使系统能够有较好的设定点跟踪。然后，通过将Smith预估控制算法和内模控制算法有机结合，完成干扰抑制控制器的设计。使整个系统能够使系统同时满足良好的跟踪性能和干扰抑制性能，系统的控制要求也能够得到保证。

Description

一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域，涉及一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法。
背景技术
在实际工业过程控制中，PID控制器具有结构简单、整定方便的优点，且能够满足大部分的生产控制要求。但是随着生产规模的扩大，控制精度要求的提高，普通的PID控制器已经不足以满足现在的生产要求。对于带有时滞的模型不确定/不匹配过程，设计的控制方法往往比较复杂，又不能同时兼顾设定点跟踪特性和抗干扰特性，因此研究一种二自由度Smith预估控制方法是有必要的。
发明内容
本发明主要是针对传统控制策略在水泥熟料冷却控制过程中所出现的系统响应时滞、控制精度不足、模型不确定/不匹配等问题，提出了一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法。
本发明在基于Smith控制结构设计的基础上，设计了一种新的二自由度Smith预估控制结构，对于一阶和二阶时滞过程，通过选择传统的PI/PID形式和期望的闭环传递函数形式，得到相应的设定点跟踪控制器的各个控制参数。然后将这种Smith控制算法和内模控制设计方法有机的结合，选择合适的内部滤波器，得到干扰抑制控制器的设计。
本发明的具体技术方案是：
步骤1、改进二自由度Smith控制结构，具体是：
1.1设系统的输出y与设定点输入r之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000021
其中，
Figure BDA0002121373360000022
Gc(s)、Q(s)、Gp(s)、Gm(s)、Gm0(s)分别表示系统前馈控制器、干扰抑制控制器、被控对象、内部模型和不包含时间延迟项的内部模型传递函数，理想状态下Gp(s)＝Gm(s)。
1.2系统的输出y与干扰d之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000023
步骤2、根据系统的一、二阶加时滞过程模型，设计二自由度Smith预估控制器并进行参数的整定，具体是：
2.1首先建立系统的一阶加时滞过程模型传递函数：
Figure BDA0002121373360000024
其中，K是过程增益，T是过程时间常数，θ是延迟时间。
2.2假设系统期望的闭环传递函数Gq(s)为：
Figure BDA0002121373360000025
其中，η表示可调节的控制参数。
2.3根据步骤2.2，选取PI形式设计系统的前馈控制器Gc(s)：
Figure BDA0002121373360000026
其中，
Figure BDA0002121373360000031
KP和TI分别表示为比例增益和积分时间常数，且
Figure BDA0002121373360000032
2.4利用内模控制原理，将过程模型Gm(s)分解为：
Gm(s)＝Gm0(s)*G+(s)
其中，G+(s)是过程模型中不可逆的部分。
2.5基于系统稳定性要求设计干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure BDA0002121373360000033
其中，F(s)为内模控制低通滤波器，形式如下：
Figure BDA0002121373360000034
λ是一个调节参数；r是阶次；αi的约束为：
Figure BDA0002121373360000035
这里，p1,...,pn表示过程被控对象中存在的极点。
2.6根据步骤2.5计算得到α值：
α＝T[1-(1-λ/T)2e-θ/T]
2.7然后考虑工业设备的不确定性，建立系统的二阶加时滞过程模型如下所示：
Figure BDA0002121373360000036
其中，T1、T2为过程模型时间常数。
2.8根据步骤2.2，并考虑二阶系统的振荡特性选取PID形式设计系统前馈控制器Gc(s)：
Figure BDA0002121373360000041
其中，可得控制器的各个参数为：
Figure BDA0002121373360000042
2.9基于二阶过程，选择滤波器的形式为：
Figure BDA0002121373360000043
2.10根据步骤2.9可以设计二阶过程的干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure BDA0002121373360000044
2.11根据步骤2.5中的αi的约束计算得到α1、α2值(其中p1＝-1/T1，p2＝-1/T2)，然后得到控制器Q(s)并作用于水泥熟料冷却过程的篦冷机。
本发明提出了一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法。首先，该方法改进了传统的控制结构，基于大林控制算法，选择期望的闭环传递函数，进而得到相应的PI/PID控制器参数形式，使系统能够有较好的设定点跟踪。然后，通过将Smith预估控制算法和内模控制算法有机结合，完成干扰抑制控制器的设计。使整个系统能够使系统同时满足良好的跟踪性能和干扰抑制性能，系统的控制要求也能够得到保证。
与传统的方法相比，本发明所提出的新的二自由度Smith预估控制方法，能够同时实现良好的设定点跟踪和干扰抑制性能，并且设计简单，具有针对性，控制精度得到了很大的提高。
附图说明
图1为Smith控制框图；
图2为二自由度Smith预估控制框图。
具体实施方式
本发明方法主要是针对水泥生产线上熟料冷却过程的应用，熟料冷却过程是通过水泥熟料在篦冷机篦床上的压力变化来对篦冷机篦速进行调节的，从而保证水泥熟料的充分冷却。当篦床压力过大时控制篦速增大，从而减小水泥熟料厚度(篦压)；当篦床压力较小时控制篦速减小，进而增大水泥熟料厚度。篦压为系统输出量、篦冷机为系统被控对象、篦冷机篦速为系统控制输入量，系统需要设定适当的篦压大小。
本发明方法的步骤包括：
步骤1、设计Smith控制结构，具体步骤是：
1.1首先，传统的Smith控制结构如图1所示。
1.2根据步骤1.1可知，水泥熟料冷却过程的输出篦压y与设定篦压r之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000051
其中，
Figure BDA0002121373360000052
Gc(s)、Gp(s)、Gm(s)、Gm0(s)分别表示前馈控制器、篦冷机被控对象、篦冷机近似数学模型、不包含时间延迟项的篦冷机近似模型传递函数，r、d、y分别表示设定篦压、干扰输入、系统输出篦压。
1.3水泥熟料冷却过程的输出篦压y与干扰输入d之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000061
1.4如果模型准确，即Gp(s)＝Gm(s)时：
Figure BDA0002121373360000062
Figure BDA0002121373360000063
可以知道，输出的闭环传递函数的特征方程中并没有过程模型的时间延迟项。
步骤2、改进的二自由度Smith控制结构的设计，具体步骤是：
2.1二自由度Smith控制结构如图2所示。
2.2根据步骤2.1可知，水泥熟料冷却过程的输出篦压y与设定篦压r之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000064
2.3水泥熟料冷却过程的输出篦压y与干扰输入d之间的闭环传递函数为：
Figure BDA0002121373360000065
2.4假设模型准确，即Gp(s)＝Gm(s)时：
Gyr(s)＝Gc’(s)Gp(s)
Gyd(s)＝[1-Gm(s)Q(s)]Gp(s)
可以知道，Gyr(s)和Gc’(s)是相关的，而Gc’(s)是和前馈控制器Gc(s)相关的，Gyd(s)和Q(s)是相关的，而且这两个控制器Gc(s)和Q(s)是可以单独的进行设计。
考虑到水泥熟料冷却过程在实际工业上所采用的篦冷机型号的不确定性，或篦冷机数学模型的不匹配性，接下来我们分别针对一、二阶惯性加时滞过程模型来分析水泥熟料冷却过程的系统控制策略。
步骤3、根据水泥熟料冷却过程的一、二阶惯性加时滞过程模型，设计二自由度Smith预估控制器并进行参数的整定，具体是：
3.1首先建立水泥熟料冷却过程的一阶加时滞过程模型传递函数传递函数：
Figure BDA0002121373360000071
其中，K是冷却过程增益，T是冷却过程时间常数，θ是控制延迟时间。
3.2假设水泥熟料冷却过程期望的闭环传递函数Gq(s)为：
Figure BDA0002121373360000072
其中，η表示可调节的控制参数。
3.3根据步骤3.2，选取PI形式设计水泥熟料冷却过程的前馈控制器Gc(s)：
Figure BDA0002121373360000073
其中，
Figure BDA0002121373360000074
KP和TI分别表示为前馈控制器的比例增益和积分时间常数，且
Figure BDA0002121373360000075
TI＝T。
3.4利用内模控制原理，将水泥熟料冷却过程模型Gm(s)分解为：
Gm(s)＝Gm0(s)*G+(s)
其中，G+(s)是水泥熟料冷却过程模型中不可逆的部分。
3.5基于水泥熟料冷却过程稳定性要求设计干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure BDA0002121373360000081
其中，F(s)为内模控制低通滤波器，形式如下：
Figure BDA0002121373360000082
λ是一个调节参数；r是阶次；αi的约束为：
Figure BDA0002121373360000083
这里，p1,...,pn表示过程被控对象中存在的极点。
3.6根据步骤3.5计算得到α值：
α＝T[1-(1-λ/T)2e-θ/T]
3.7然后考虑篦冷机型号的不确定性，或篦冷机数学模型的不匹配性，建立系统的二阶加时滞过程模型如下所示：
Figure BDA0002121373360000084
其中，T1、T2为水泥熟料冷却过程模型时间常数。
3.8根据步骤3.2，并考虑二阶水泥熟料冷却过程系统的振荡特性选取PID形式设计系统前馈控制器Gc(s)：
Figure BDA0002121373360000085
其中，可得控制器的各个参数为：
Figure BDA0002121373360000086
3.9基于二阶过程，选择滤波器的形式为：
Figure BDA0002121373360000091
3.10根据步骤3.9可以设计二阶过程的干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure BDA0002121373360000092
3.11根据步骤3.5中的αi的约束计算得到α1、α2值(其中p1＝-1/T1，p2＝-1/T2)，然后得到控制器Q(s)并作用于水泥熟料冷却过程的篦冷机。
3.12在获得控制器参数后，有时可能需要进一步的微调以获得完美的控制器作用于水泥熟料冷却过程的篦冷机。

Claims (1)

1.一种水泥熟料冷却过程的二自由度Smith预估控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、设计Smith控制结构，具体是：
设水泥熟料冷却过程的输出篦压y与设定篦压r之间的闭环传递函数为：
Figure FDA0002121373350000011
其中，
Figure FDA0002121373350000012
Gc(s)、Gp(s)、Gm(s)、Gm0(s)分别表示前馈控制器、篦冷机被控对象、篦冷机近似数学模型、不包含时间延迟项的篦冷机近似模型传递函数，r、d、y分别表示设定篦压、干扰输入、系统输出篦压；
水泥熟料冷却过程的输出篦压y与干扰输入d之间的闭环传递函数为：
Figure FDA0002121373350000013
步骤2、改进的二自由度Smith控制结构的设计，具体步骤是：
设水泥熟料冷却过程的输出篦压y与设定篦压r之间的闭环传递函数为：
Figure FDA0002121373350000014
水泥熟料冷却过程的输出篦压y与干扰输入d之间的闭环传递函数为：
Figure FDA0002121373350000021
步骤3、根据水泥熟料冷却过程的一、二阶惯性加时滞过程模型，设计二自由度Smith预估控制器并进行参数的整定，具体是：
3.1 首先建立水泥熟料冷却过程的一阶加时滞过程模型传递函数：
Figure FDA0002121373350000022
其中，K是冷却过程增益，T是冷却过程时间常数，θ是控制延迟时间；
3.2 假设水泥熟料冷却过程期望的闭环传递函数Gq(s)为：
Figure FDA0002121373350000023
其中，η表示可调节的控制参数；
3.3 根据步骤3.2，选取PI形式设计水泥熟料冷却过程的前馈控制器Gc(s)：
Figure FDA0002121373350000024
其中，
Figure FDA0002121373350000025
KP和TI分别表示为前馈控制器的比例增益和积分时间常数，且
Figure FDA0002121373350000026
TI＝T；
3.4 利用内模控制原理，将水泥熟料冷却过程模型Gm(s)分解为：
Gm(s)＝Gm0(s)*G+(s)
其中，G+(s)是水泥熟料冷却过程模型中不可逆的部分；
3.5 基于水泥熟料冷却过程稳定性要求设计干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure FDA0002121373350000031
其中，F(s)为内模控制低通滤波器，形式如下：
Figure FDA0002121373350000032
λ是一个调节参数；r是阶次；αi的约束为：
Figure FDA0002121373350000033
这里，p1,...,pn表示过程被控对象中存在的极点；
3.6 根据步骤3.5计算得到α值：
α＝T[1-(1-λ/T)2e-θ/T]
3.7 建立系统的二阶加时滞过程模型如下所示：
Figure FDA0002121373350000034
其中，T1、T2为水泥熟料冷却过程模型时间常数；
3.8 根据步骤3.2，并考虑二阶水泥熟料冷却过程系统的振荡特性选取PID形式设计系统前馈控制器Gc(s)：
Figure FDA0002121373350000035
其中，可得控制器的各个参数为：
Figure FDA0002121373350000036
3.9 基于二阶过程，选择滤波器的形式为：
Figure FDA0002121373350000037
3.10 根据步骤3.9设计二阶过程的干扰抑制控制器Q(s)为：
Figure FDA0002121373350000038
3.11 根据步骤3.5中的αi的约束计算得到α1、α2值，然后得到控制器Q(s)并作用于水泥熟料冷却过程的篦冷机。
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