CN110456780B - 自动控制系统的控制品质调整方法、装置和可读存储介质 - Google Patents

自动控制系统的控制品质调整方法、装置和可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开自动控制系统的控制品质调整方法、装置及可读存储介质，其中，自动控制系统包括控制器和被控对象；自动控制系统的控制品质调整方法包括：获取自动控制系统的频域形式的响应函数；根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。本发明的技术方案能解决现有技术中数学模型不能准确描述被控对象，难以保证自动控制系统的控制品质的问题。

Description

自动控制系统的控制品质调整方法、装置和可读存储介质
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种自动控制系统的控制品质调整方法、装置和可读存储介质。
背景技术
自动控制系统是指使用控制器对生产中被控对象的某些关键性参数进行自动控制的系统。在控制器的自动控制下，这些关键性参数能够在受到外界干扰而偏离正常状态时被自动调节，进而回到工艺要求的数值范围内。自动控制系统主要包括控制器、被控对象、执行机构和变送器等部分；其中，被控对象是指自动控制系统中所要控制的设备或设备群组。
为了准确了解自动控制系统的运行过程，进而调整自动控制系统的控制品质，通常需要建立数学模型以描述自动控制系统的结构和运行过程。给自动控制系统建立数学模型的方法主要包括：机理建模方法、试验建模方法和系统辨识建模方法。其中，
(1)、机理建模方法需要大量的具有实际意义的定理公式，这些公式用于描述自动控制系统的实际工作原理和过程；并且机理建模的求解过程需要严格按照步骤进行，这样才能够得到一个精确度较高的数学模型。然而，现代工业所采用的自动控制系统通常十分复杂，虽然机理建模方法能够对局部结构进行物理描述并建立相应的数学表达形式，但是现代工业常用的自动控制系统往往由一系列的工业设备组成，导致无法使用机理建模方法对整个自动控制系统进行整体描述。正是由于机理建模方法需要对每个局部结构或过程具有精细要求，而自动控制系统结构复杂且并非局部结构和流程的简单拼接，所以即使已经知道描述局部结构的数学公式，依然无法通过机理建模得到的大型自动控制系统的数学模型。另外，机理建模方法得到的模型往往异常庞大，经常出现积分和微分等复杂的非线性形式。这样建立的系统模型，即使能够较好地描述自动控制系统的工作过程，但是其复杂度异常之大，也无法直接应用于现代工业控制中。并且，自动控制系统在实际工作过程存在着大量的扰动因素，使得建立的数学模型依然存在可靠性问题。
(2)、试验建模方法需要对自动控制系统的各项参数进行充分激励，找到其参数的动态特性。对于较小规模的自动控制系统而言，通过多次试验建模能够得到较为准确的数学模型；然而，对于较大规模的自动控制系统而言，试验建模会对自动控制系统造成冲击，影响自动控制系统运行的稳定性。特别地，对于重要工业所使用的复杂自动控制系统，为安全起见必须保持自动控制系统平稳运行，不允许对自动控制系统的参数进行大范围调节，即不能够对自动控制系统实现充分激励。因此，试验建模方法对这些复杂的自动控制系统是行不通的。
(3)、系统辨识建模方法是根据系统的输入输出时间函数来建立描述自动控制系统行为的数学模型的方法。它是现代控制理论中的一个分支，建模过程如下：首先，通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的数学模型；然后，用当前可测量的自动控制系统的输入和输出预测自动控制系统输出的未来演变。系统辨识建模方法往往以先验知识为基础，经过实验设计、结构辨识、参数估计和模型检验等步骤，最终确立数学模型。然而，辨识实验要求输入信号具有丰富的变化；模型结构不仅要包含被控对象的模型，还需要包含扰动的模型；参数的估计方法大多需要复杂的公式推导，且前提假设要求苛刻。
综上，自动控制系统在运行过程中，其所包含的被控对象的特性难以用精确的数学模型来描述；即使有时能够获得用于描述被控对象特性的精确数学模型，但是由于被控对象过于复杂，导致上述数学模型也难以对其进行有效地控制性能分析和综合。而且，随着生产过程中工作条件的改变、运行环境的变化以及自动控制系统内设备老化等原因，被控对象本身的特性也会随之变化；这些原因都使得描述被控对象的数学模型和实际的被控对象之间不可避免地存在误差，进而难以保证自动控制系统的控制品质。先进的自动控制方法大多是基于对象的数学模型，如果基于对象的数学模型不能精确描述被控对象，或者在自动控制系统的运行过程中数学模型和实际对象产生偏离，基于这样的数学模型设计的自动控制系统很难保证具有所期望的性能要求，更难保证较高的控制品质。
发明内容
本发明提供一种自动控制系统的控制品质调整方法、装置和可读存储介质，旨在解决现有技术中的数学建模方法难以准确描述被控对象，进而难以保证自动控制系统的控制品质的问题。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提出了一种自动控制系统的控制品质调整方法，其中，所述自动控制系统包括控制器和被控对象；所述控制品质调整方法包括：
获取自动控制系统的频域形式的响应函数；
根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；
根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；
根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。
优选地，在根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值的步骤之后，所述控制品质调整方法还包括：
检测控制品质的指标是否超出预设指标范围；
若控制品质的指标超出预设指标范围，则重新根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算被控对象的数学模型；
根据重新计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数，直至自动控制系统的控制品质的指标调整至预设指标范围内。
优选地，所述获取自动控制系统的频域形式的响应函数的步骤，包括：
实时检测自动控制系统的输出响应，生成自动控制系统的频域响应曲线；
对频域响应曲线进行曲线拟合，得到频域形式的响应函数。
优选地，所述控制品质调整方法，根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数的步骤，包括：
对频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数；
对稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到自动控制系统的系统频域传递函数。
优选地，所述根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型的步骤，包括：
根据控制器的控制策略和控制参数，计算得到控制器频域传递函数；
将控制器频域传递函数和系统频域传递函数，代入被控对象的频域表达式，计算得到被控对象的数学模型。
根据本发明的第二方面，还提供了一种自动控制系统的控制品质调整装置，其中，自动控制系统包括控制器和被控对象；所述控制品质调整装置包括：
响应函数获取模块，用于获取自动控制系统的频域形式的响应函数；
系统频域传递函数计算模块，用于根据响应函数获取模块获取的频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；
被控对象计算模块，用于根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数计算模块计算得到的系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；
控制器调整模块，用于根据被控对象计算模块计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。
优选地，所述控制品质调整装置还包括：控制品质检测模块，用于检测控制品质的指标是否超出预设指标范围；
被控对象计算模块，还用于若控制品质的指标超出预设指标范围时，重新根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算被控对象的数学模型；
控制器调整模块，还用于根据重新计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数，直至自动控制系统的控制品质的指标调整至预设指标范围内。
优选地，所述系统频域传递函数计算模块，包括：
函数分解变换子模块，用于对频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数；
函数变换组合子模块，用于对稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到自动控制系统的系统频域传递函数。
优选地，所述被控对象计算模块，包括：
控制器函数计算子模块，用于根据控制器的控制策略和控制参数，计算得到控制器频域传递函数；
数学模型计算子模块，用于将控制器频域传递函数、激励函数和系统频域传递函数，代入被控对象的频域表达式，计算得到被控对象的数学模型。
根据本发明的第三方面，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有自动控制系统的控制品质调整方法的程序，自动控制系统的控制品质调整方法的程序被处理器执行时实现如上述任一项技术方案所述的自动控制系统的控制品质调整方法的步骤。
本申请技术方案提出的自动控制系统的控制品质调整方案，通过获取自动控制系统的频域形式的响应函数；然后根据所述频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；再根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，反向计算被控对象的数学模型；进而根据所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值，通过调整控制器的控制策略和/或控制参数值能够调整所述自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。由于本发明的技术方案是通过自动控制系统的响应函数，反向建立被控对象的数学模型，因此能够精确描述被控对象和自动控制系统，进而根据该数学模型，通过调整控制器改变被控对象的参数，能够准确调整自动控制系统的控制品质。从而解决了现有技术中存在的现有数学建模方法难以准确描述被控对象，难以保证自动控制系统的控制品质的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种自动控制系统的控制流程示意图；
图2是本发明实施例提供的第一种自动控制系统的控制品质调整方法的流程示意图；
图3是图2所示实施例提供的一种响应函数获取方法的流程示意图；
图4是图2所示实施例提供的一种系统频域传递函数的计算方法的流程示意图；
图5是图2所示实施例提供的一种被控对象的数学模型计算方法的流程示意图；
图6-1是本发明实施例提供的一种自动控制系统的实际响应曲线的示意图；
图6-2是图6-1所示实际响应曲线分解得到的一种稳态极值曲线的示意图；
图6-3是图6-1所示实际响应曲线分解得到的一种指数函数曲线的示意图；
图6-4是图6-1所示实际响应曲线分解得到的一种指数-三角函数曲线的示意图；
图7是本发明实施例提供的第二种自动控制系统的控制品质调整方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的第三种自动控制系统的控制品质调整方法的流程示意图；
图9是本发明实施例提供的第一种自动控制系统的控制品质调整装置的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的第二种自动控制系统的控制品质调整装置的结构示意图；
图11是本发明图9所示实施例中的系统频域传递函数计算模块的一种结构示意图；
图12是本发明图9所示实施例中的被控对象计算模块的一种结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
传统的自动控制系统的控制方法大多是基于对象的数学模型，基于对象的数学模型与实际的被控对象之间不可避免地存在误差，进而难以保证自动控制系统的控制品质。当数学模型不能精确描述被控对象，或者在自动控制系统的运行过程中数学模型和实际对象产生偏离，基于这样的数学模型设计的自动控制系统很难保证具有所期望的性能要求，更难保证较高的控制品质。
为了解决上述问题，本发明实施例的主要解决方案如下：
自动控制系统包括控制器和被控对象等结构，其工作过程通常根据用户输入的期望目标，使用控制器改变自身参数，改变对被控对象的控制量，以使被控对象调整自身工作，从而得到实际的输出结果，然后负反馈调节控制器，以使得实际的输出结果逐渐接近期望目标。对应地，自动控制系统的控制流程如图1所示，首先获取设定的期望目标v，然后经过控制器的传递函数C(s)进行计算对被控对象的控制量u，并作用到被控对象的传递函数G(s)，获得自动控制系统的输出响应实际值y，然后根据该实际值y反馈回原来步骤，得到设定值与实际值之间偏差e，通过该偏差e，修改控制器的传递函数的参数，重新计算被控对象的控制量u，再次作用到被控对象的传递函数，使得自动控制系统的输出响应的实际值逐渐接近设定的期望目标。
而本发明下述实施例的方案中，首先获取自动控制系统的频域形式的响应函数；然后根据所述频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；再根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，反向计算被控对象的数学模型。这样，就能够根据所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值，通过调整控制器的控制策略和/或控制参数值能够调整所述自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。由于本发明的技术方案是通过自动控制系统的实际的响应函数，反向建立被控对象的数学模型，因此能够精确描述被控对象和自动控制系统，准确调整自动控制系统的控制品质。
具体请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种自动控制系统的控制品质调整方法的流程示意图。如图2所示，该自动控制系统的控制品质调整方法包括以下步骤：
S110：获取自动控制系统的频域形式的响应函数。
在本步骤中，自动控制系统的响应函数是根据自动控制系统的实际响应获得的，从而能够真实准确地描述自动控制系统的输出。进而，根据该响应函数反向建模，得到被控对象的数学模型，准确描述被控对象的运行状态和输出结果，从而能够在已知控制器的控制策略和控制参数时，准确调整自动控制系统的控制品质。
其中，响应函数是根据自动控制系统的实际响应得到的。具体地，如图3所示，该获取自动控制系统的频域形式的响应函数的步骤，具体包括以下步骤：
S111：实时检测自动控制系统的输出响应，生成自动控制系统的频域响应曲线。
S112：对频域响应曲线进行曲线拟合，得到频域形式的响应函数。
通过对频域响应曲线进行曲线拟合，能够得到自动控制系统的响应函数，即自动控制系统的频域表达式，如下：
Figure BDA0002188026910000081
其中，Y(s)为自动控制系统的拉氏表达式，即自动控制系统的系统响应函数；V(s)为自动控制系统的期望目标值的拉氏表达式，即自动控制系统的期望目标值的传递函数；s为拉普拉斯算子；a和b分别为系统传递函数Y(s)分子和分母的参数；m和n分别为系统传递函数Y(s)分子和分母的阶数。
在图3所示实施例提供的技术方案中，通过生成自动控制系统的频域响应曲线，然后对该频域响应曲线进行曲线拟合，能够在直接获得自动控制系统输出结果的情况下，得到能够准确描述自动控制系统输出响应的响应函数，从而准确描述自动控制系统的运行和输出。另外也省去了需要考察自动控制系统的各个结构设备，对各个结构和设备进行机理建模的繁琐过程，因此本实施例提供的建模方法简单快速。
S120：根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数。
在本步骤中，根据频域形式的响应函数，计算得到系统频域传递函数，能够根据自动控制系统的实际输出响应，变换得到描述自动控制系统的系统频域传递函数，即自动控制系统的数学模型，进而根据该自动控制系统的数学模型，结合控制器的频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型，以准确描述被控对象的特征和运行状态。
其中，参见图4，上述图2所示步骤：根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数的步骤，包括以下内容：
S121：对频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数。
通过对频域形式的响应函数进行因式分解，能够得到自动控制系统的连乘形式的频域表达式，具体地，对上述自动控制系统的频域表达式：
Figure BDA0002188026910000091
的分子多项式和分母多项式进行因式分解，能够得到连乘形式的响应函数如下：
Figure BDA0002188026910000092
其中，k为系统增益，且k＝b0/a0；q和r分别为两个分子连乘因式的数量，其中q+2r＝n；zi为系统零点；另外，自动控制系统包括实数极点和复数极点，其中，sj为实数极点，
Figure BDA0002188026910000093
ωk为自然频率，ζk为阻尼比。其中，系统零点为自动控制系统的输入幅度不为零且输入频率使系统输出为零时的输入频率。极点为当自动控制系统的输入幅度不为零且输入频率使系统输出为无穷大时的频率值。
另外，由于闭环传函的零点和极点只可能是实数或共轭复数，以阶跃激励输入为例，将上式展开为部分分式形式，能够得到以下频域表达式：
Figure BDA0002188026910000094
其中，
Figure BDA0002188026910000095
为单位阶跃函数对应分式，
Figure BDA0002188026910000096
为实数极点对应分式，
Figure BDA0002188026910000097
为复数极点对应分式；A0和Aj分别为系统响应函数Y(s)在闭环实数极点sj处的留数；Bk和Ck分别是系统响应函数Y(s)在闭环复数极点
Figure BDA0002188026910000098
处的留数有关的常系数。
对上述系统响应的频域表达式：
Figure BDA0002188026910000101
进行拉氏反变换，即能够得到自动控制系统的时域方程，具体如下：
y(t)＝r4+r3*exp[p3*t]
+2*real(r12)*exp[real(p12)*t]*cos[imag(p12)*t]
+2*imag(r12)*exp[real(p12)*t]*sin[imag(p12)*t]
其中，r4、r3和r12分别为自动控制系统的各级留数，p3和p12分别为系统极点，t为时间，函数real()为自动控制系统时域方程的复数实部，imag()为自动控制系统时域方程的复数虚部。
其中，r4为稳态极值函数y1(t)，r3*exp[p3*t]为指数函数y2(t)，2*real(r12)*exp[real(p12)*t]*cos[imag(p12)*t]为指数三角函数y3(t),2*imag(r12)*exp[real(p12)*t]*sin[imag(p12)*t]为指数三角函数y4(t)。
由上述自动控制系统的时域方程可知，自动控制系统的响应函数是由稳态极值函数、指数函数和两个指数-三角函数等函数叠加而成，因此自动控制系统的实际响应曲线能够通过建立对应关系分别得出上述时域方程的参数。
S122：对稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到自动控制系统的系统频域传递函数。
稳态极值函数y1(t)进行拉氏变换得到频域形式的稳态极值函数，也即激励函数y1(s)，指数函数y2(t)进行拉氏变换能够得到频域形式的指数函数y2(s)，指数-三角函数y3(t)和y4(t)进行拉氏变换，分别能够得到频域形式的指数函数y3(s)和y4(s)。
其中，y1(s)为激励函数，其他分项函数y2(s)，y3(s)和y4(s)进行组合，得到自动控制系统的系统频域传递函数
Figure BDA0002188026910000102
在图4所示实施例提供的技术方案中，通过对频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数，然后再进行拉氏变换及因式组合，能够提取得到准确的自动控制系统的系统频域传递函数值，进而根据该系统频域传递函数得到被控对象的数学模型。
S130：根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型。
在本步骤中，自动控制系统主要由控制器和被控对象组成，而自动控制系统的输出响应也由控制器和被控对象决定，具体地，通过控制器改变自身控制策略和控制参数，调整被控对象，得到最终的输出响应。本步骤中，在获得自动控制系统的系统频域传递函数和控制器的控制器频域传递函数后，即可得到被控对象的数学模型，从而根据被控对象的数学模型，调整自动控制系统的控制品质。
具体地，如图5所示，图2所示步骤：根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型的步骤，包括：
S131：根据控制器的控制策略和控制参数，计算得到控制器频域传递函数。
控制器的控制策略和控制参数通常已知，例如具有比例-积分控制规律的PI控制器，其输出信号m(t)同时成比例地反应输入信号e(t)及其积分，其时域表达式为
Figure BDA0002188026910000111
其中，Kp为可调比例系数，Ki为可调积分系数，Ti为可调积分时间常数；其对应的控制器频域传递函数的表达式为
Figure BDA0002188026910000112
S132：将控制器频域传递函数和系统频域传递函数，代入被控对象的频域表达式，计算得到被控对象的数学模型。
自动控制系统主要由控制器和被控对象两大部分组成，根据图1所示的自动控制系统的控制流程可知，控制器根据输入的期望目标，调整自身控制策略和控制参数，改变被控对象的参数，进而能够得到实际的输出响应。因此，在得到系统频域传递函数以及控制器频域传递函数后，即可以求得被控对象的数学模型。其中，被控对象的频域表达式如下：
Figure BDA0002188026910000113
其中，G(s)为被控对象的数学模型，Y(s)为自动控制系统的频域传递函数，C(s)为控制器的频域传递函数，V(s)为期望目标值，在这里即激励响应函数。
S140：根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。
通常，在获得被控对象的数学模型和控制器的控制器频域传递函数后，可通过零极点配置等方法对自动控制系统的控制品质进行优化调节，通过调整控制器或者调整被控对象，能够配置系统零点或极点，达到优化调节控制品质的作用。然而，被控对象的特性一般与设备特性和工作状态等因素相关，无法轻易改变，因此，自动控制系统的控制品质可通过改变控制器的控制策略或控制参数进行调节，从而将自动控制系统的控制品质的指标调整至预设指标范围内。另外从简单高效的角度出发，可在不改变控制策略的前提下，通过改变控制参数来调整控制品质。
作为一种较佳的实施例，如图6-1所示，图6-1为本发明实施例提供的一种自动控制系统的实际响应曲线，按照上述原理能够将该响应曲线分解为图6-2所示的1个稳态极值曲线，图6-3所示的1个指数函数曲线和图6-4所示的2个指数-三角函数曲线。根据上述自动控制系统的时域方程：
y(t)＝r4+r3*exp[p3*t]
+2*real(r12)*exp[real(p12)*t]*cos[imag(p12)*t]
+2*imag(r12)*exp[real(p12)*t]*din[imag(p12)*t]
代入通过线性规划或随机搜索得到的各参数值，可知图6-1所示响应曲线对应的时域方程为：
y(t)＝y1(t)+y2(t)+y3(t)+y4(t)＝1-0.07897*exp(-0.03087*t)-0.921*exp(-0.08456*t)*cos(0.2401*t)-0.3346*exp(-0.08456*t)*sin(0.2401*t)。
其中，图6-2所示稳态极值曲线对应的稳态极值函数y1(t)＝1；图6-3所示指数函数曲线对应的指数函数y2(t)＝-0.07897*exp(-0.03087*t)；图6-4所示的两条指数-三角函数曲线对应的指数三角函数分别为y3(t)＝-0.921*exp(-0.08456*t)*cos(0.2401*t)；以及，y4(t)＝-0.3346*exp(-0.08456*t)*sin(0.2401*t)。
在得到上述自动控制系统的各时域分项函数后，将各时域分项函数进行拉氏变换，转变为相应的频域传递函数如下：
Figure BDA0002188026910000121
Figure BDA0002188026910000131
Figure BDA0002188026910000132
Figure BDA0002188026910000133
其中，y1(s)为阶跃激励函数，即上述V(s)，将其他各分项函数组合成系统频域传递函数，得到的系统频域传递函数如下：
Figure BDA0002188026910000134
另外，设PI控制器的可调比例系数Kp＝3，可调积分时间常数Ti＝10，可调积分系数Ki＝1，则根据控制器频域传递函数的表达式为
Figure BDA0002188026910000135
Figure BDA0002188026910000136
可知
Figure BDA0002188026910000137
将C(s)，Y(s)及V(s)代入被控对象的频域表达式
Figure BDA0002188026910000138
能够得到被控图像的数学模型为
Figure BDA0002188026910000139
根据该数学模型即可调节被控对象的控制策略和/或控制参数，调节自动控制系统的控制品质。
综上，本申请实施例提供的自动控制系统的控制品质调整方法，通过获取自动控制系统的频域形式的响应函数；然后根据所述频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；再根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，反向计算被控对象的数学模型；进而根据所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值，通过调整控制器的控制策略和/或控制参数值能够调整所述自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。由于本发明的技术方案是通过自动控制系统的响应函数，反向建立被控对象的数学模型，因此能够精确描述被控对象和自动控制系统，进而根据该数学模型，通过调整控制器改变被控对象的参数，能够准确调整自动控制系统的控制品质。从而解决了现有技术中存在的现有数学建模方法难以准确描述被控对象，难以保证自动控制系统的控制品质的问题。
另外，如图7所示，本实施例提供的控制品质调整方法中，在步骤S140：根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值之后还包括以下步骤：
S210：检测控制品质的指标是否超出预设指标范围。若控制品质的指标超出预设指标范围，重新执行步骤S110至步骤S140，直至自动控制系统的控制品质的指标调整至预设指标范围内。
本申请实施例提供的技术方案中，由于被控对象极易受到外部环境的影响，当外部环境改变时，被控对象的参数往往会有所改变，从而导致自动控制系统的控制品质下降。因为被控对象的模型是根据系统传递函数和控制器传递函数计算得到的，被控对象的参数改变，即被控对象的模型改变，被控对象的模型改变直接反映在系统响应曲线的改变，本申请上述实施例中，被控对象的模型是根据系统响应函数反向建模得到的，所以需要重新计算得到准确的被控对象的模型，然后调整控制器的参数，改变自动控制系统的控制品质。因此，在控制品质的指标超出预设指标范围时，说明被控对象的参数改变，即被控对象的模型改变，这样需要重新执行上述步骤S110至步骤S140，重新计算被控对象的数学模型，然后改变控制器的控制策略和控制参数，以调节控制品质达到预设指标范围内。
另外如图8所示，图8为本发明实施例提供的第三种自动控制系统的控制品质调整方法的流程示意图，该控制品质调整方法包括以下步骤：
S310：将被控系统的响应曲线分解为稳态极值曲线、指数曲线及指数-三角函数曲线等曲线的叠加，并得到相应的时域分解式。
S320：将各时域分解式经拉氏变换，转变为相应频域函数，并组合成系统频域函数。
S330：对已知参数的控制器建立频域模型，并由系统频域函数得出被控对象的频域模型。
S340：在获得的被控对象模型和控制器模型的基础上，通过零极点配置等方法对控制品质进行优化调节。
S350：判断控制品质的品质指标是否满足要求；若满足要求，则调节阶数，若不满足要求，则执行步骤S360。
S360：的那个外部环境改变时，被控模型参数会有所改变，导致控制品质下降，因此需要对控制器参量进行动态调整，重新从第1步开始计算，直到控制品质指标满足要求为止。
综上，本申请上述实施例提供的技术方案，以工程现场的实际情况与要求为出发点，充分应用工程现场的已有信息，根据自动控制系统的输出响应，反向建立被控对象的数学模型，并以此为基础调整控制器参数以提高自动控制系统的控制品质。该控制品质调整方法简单实用，无需掌握复杂的数学建模知识，即可建立被控对象的数学模型，调整控制品质；另一方面，该控制品质调整方法具备一定的自适应功能，可根据实际工况不断调整被控对象的数学模型，进而调整控制器参数，以保证和提高自动控制系统的控制品质。
基于上述方法实施例的同一构思，本发明实施例还提出了自动控制系统的控制品质调整装置，用于实现本发明的上述方法，由于该装置实施例解决问题的原理与方法相似，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
具体请参见图9，图9是本发明实施例提供的第一种自动控制系统的控制品质调整装置的结构示意图，其中，自动控制系统包括控制器和被控对象；该控制品质调整装置包括：
响应函数获取模块101，用于获取自动控制系统的频域形式的响应函数；
系统频域传递函数计算模块102，用于根据响应函数获取模块101获取的频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；
被控对象计算模块103，用于根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数计算模块102计算得到的系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；
控制器调整模块104，用于根据被控对象计算模块103计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。
本申请实施例提供的自动控制系统的控制品质调整装置，通过响应函数获取模块101获取自动控制系统的频域形式的响应函数；然后根据所述频域形式的响应函数，然后系统频域传递函数计算模块102计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；再通过被控对象计算模块103根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，反向计算被控对象的数学模型；进而通过控制器调整模块104根据所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值，通过调整控制器的控制策略和/或控制参数值能够调整所述自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。由于本发明的技术方案是通过自动控制系统的响应函数，反向建立被控对象的数学模型，因此能够精确描述被控对象和自动控制系统，进而根据该数学模型，通过调整控制器改变被控对象的参数，能够准确调整自动控制系统的控制品质。从而解决了现有技术中存在的现有数学建模方法难以准确描述被控对象，难以保证自动控制系统的控制品质的问题。
其中，作为一种优选的实施例，如图10所示，图10所示实施例提供的控制品质调整装置除了图9所示的各个结构外，还包括：
控制品质检测模块105，用于检测控制品质的指标是否超出预设指标范围。
上述被控对象计算模块103，还用于若控制品质的指标超出预设指标范围时，重新根据控制器的控制器频域传递函数和系统频域传递函数，计算被控对象的数学模型。
上述控制器调整模块104，还用于根据重新计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整控制器的控制策略和/或控制参数，直至自动控制系统的控制品质的指标调整至预设指标范围内。
另外，如图11所示，上述图9所示的装置中，系统频域传递函数计算模块102，包括：
函数分解变换子模块1021，用于对频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数。
函数变换组合子模块1022，用于对稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到自动控制系统的系统频域传递函数。
另外，如图12所示，上述图9所示的装置中，被控对象计算模块103，包括：
控制器函数计算子模块1031，用于根据控制器的控制策略和控制参数，计算得到控制器频域传递函数。
数学模型计算子模块1032，用于将控制器频域传递函数、激励函数和系统频域传递函数，代入被控对象的频域表达式，计算得到被控对象的数学模型。
另外，本申请还保护一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有自动控制系统的控制品质调整方法的程序，自动控制系统的控制品质调整方法的程序被处理器执行时实现如上述任一项技术方案所述的自动控制系统的控制品质调整方法的步骤。
本发明计算机可读存储介质具体实施例与上述自动控制系统的控制品质调整方法的各实施例基本相同，在此不再详细赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种自动控制系统的控制品质调整方法，其特征在于，所述自动控制系统包括控制器和被控对象；所述控制品质调整方法包括：
获取自动控制系统的频域形式的响应函数；
将所述响应函数分解为稳态极值函数、指数函数及指数-三角函数函数的叠加；
对所述稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到所述自动控制系统的系统频域传递函数；
根据所述自动控制系统的的控制器建立控制器频域模型；
根据所述控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；
在所述被控对象的数学模型和控制器频域模型的基础上，通过零极点配置的方法对所述自动控制系统的控制品质进行优化调整，使所述控制品质的的指标调整至预设指标范围内。
2.根据权利要求1所述的控制品质调整方法，其特征在于，在所述根据被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值的步骤之后，所述控制品质调整方法还包括：
检测所述控制品质的指标是否超出所述预设指标范围；
若所述控制品质的指标超出所述预设指标范围，则重新计算所述被控对象的数学模型，根据重新计算得到的所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数，直至所述自动控制系统的控制品质的指标调整至所述预设指标范围内。
3.根据权利要求1或2所述的控制品质调整方法，其特征在于，所述获取自动控制系统的频域形式的响应函数的步骤，包括：
实时检测所述自动控制系统的输出响应，生成所述自动控制系统的频域响应曲线；
对所述频域响应曲线进行曲线拟合，得到所述频域形式的响应函数。
4.根据权利要求1或2所述的控制品质调整方法，其特征在于，所述根据频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数的步骤，包括：
对所述频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数；
对所述稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到所述自动控制系统的系统频域传递函数。
5.根据权利要求1或2所述的控制品质调整方法，其特征在于，所述根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型的步骤，包括：
根据所述控制器的控制策略和控制参数，计算得到所述控制器频域传递函数；
将所述控制器频域传递函数和系统频域传递函数，代入所述被控对象的频域表达式，计算得到所述被控对象的数学模型。
6.一种自动控制系统的控制品质调整装置，其特征在于，所述自动控制系统包括控制器和被控对象；所述控制品质调整装置包括：
响应函数获取模块，用于获取自动控制系统的频域形式的响应函数；
系统频域传递函数计算模块，用于根据所述响应函数获取模块获取的频域形式的响应函数，计算得到自动控制系统的系统频域传递函数；
被控对象计算模块，用于根据控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数计算模块计算得到的系统频域传递函数，计算得到被控对象的数学模型；
控制器调整模块，用于根据所述被控对象计算模块计算得到的被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数值，以调整所述自动控制系统的控制品质的指标至预设指标范围内。
7.根据权利要求6所述的控制品质调整装置，其特征在于，所述控制品质调整装置还包括：控制品质检测模块，用于检测所述控制品质的指标是否超出所述预设指标范围；
所述被控对象计算模块，还用于若所述控制品质的指标超出所述预设指标范围时，重新根据所述控制器的控制器频域传递函数和所述系统频域传递函数，计算所述被控对象的数学模型；
所述控制器调整模块，还用于根据重新计算得到的所述被控对象的数学模型和控制器频域传递函数，调整所述控制器的控制策略和/或控制参数，直至所述自动控制系统的控制品质的指标调整至所述预设指标范围内。
8.根据权利要求6或7所述的控制品质调整装置，其特征在于，所述系统频域传递函数计算模块，包括：
函数分解变换子模块，用于对所述频域形式的响应函数进行因式分解和拉氏反变换，得到时域形式的稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数；
函数变换组合子模块，用于对所述稳态极值函数、指数函数和指数-三角函数进行拉氏变换及因式组合，提取得到所述自动控制系统的系统频域传递函数。
9.根据权利要求6或7所述的控制品质调整装置，其特征在于，所述被控对象计算模块，包括：
控制器函数计算子模块，用于根据所述控制器的控制策略和控制参数，计算得到所述控制器频域传递函数；
数学模型计算子模块，用于将所述控制器频域传递函数、激励函数和系统频域传递函数，代入所述被控对象的频域表达式，计算得到所述被控对象的数学模型。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有所述自动控制系统的控制品质调整方法的程序，所述自动控制系统的控制品质调整方法的程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的自动控制系统的控制品质调整方法的步骤。
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