專利名稱：線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法。
背景技術(shù)：
線性多輸入多輸出過程是工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的一類對(duì)象，而且隨著各種各樣的先進(jìn)生產(chǎn)工藝的快速發(fā)展，越來(lái)越多的生產(chǎn)過程被構(gòu)造為高維多變量控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高效率地生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品。然而由于多變量過程的各輸出通道之間存在交聯(lián)耦合作用，使得大多數(shù)已發(fā)展的單變量控制方法很難用于多變量過程。雖然目前已經(jīng)有很多面向多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要包括線性二次最優(yōu)(LQG)設(shè)計(jì)方法，定量反饋方法，奈奎斯特陣列方法，序列回差方法，并矢展開法，預(yù)測(cè)控制方法等，但是大多方法都不能很好的解決多變量系統(tǒng)魯棒性設(shè)計(jì)問題。近來(lái)，H2最優(yōu)設(shè)計(jì)方法受到了越來(lái)越多的關(guān)注。H2最優(yōu)控制的概念就是要找到一個(gè)控制器，使它不但能令閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且能最小化給定的H2性能指標(biāo)。許多控制器設(shè)計(jì)問題都可以歸結(jié)為H2最優(yōu)化問題并依靠不同的數(shù)學(xué)工具來(lái)得到解，主要包括Zhou等提出的狀態(tài)空間解以及Kucera等提出的多項(xiàng)式方法。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要成果是國(guó)際著名學(xué)者M(jìn)orari在文獻(xiàn)《Robust Process Control》(魯棒過程控制，Prentice Hall，NJ，1989)中提出的內(nèi)部模型控制方法(IMC)。該方法針對(duì)線性多變量控制系統(tǒng)，利用被控模型的內(nèi)外分解來(lái)推倒最優(yōu)控制器，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能達(dá)到H2最優(yōu)。該方法具有物理意義直觀，方便廣大工程設(shè)計(jì)人員理解等優(yōu)點(diǎn)，但是從嚴(yán)格意義上講，該方法仍然是一種狀態(tài)空間方法，因?yàn)檫@種方法主要是依靠狀態(tài)空間方法推導(dǎo)最優(yōu)控制器。需要指出的是，目前針對(duì)具工業(yè)多變量過程的最優(yōu)控制器整定方法大都無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，因而不便于實(shí)際推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法。使本發(fā)明的控制器整定過程只需要考慮系統(tǒng)的輸入輸出信息，不涉及狀態(tài)變量；控制器能保證系統(tǒng)H2全局最優(yōu)，并能通過簡(jiǎn)單規(guī)則調(diào)節(jié)控制器參數(shù)以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能和魯棒性，解決各種不同的工業(yè)多輸入多輸出生產(chǎn)工藝過程的上述問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明基于單位閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)，首先利用提出的改進(jìn)的內(nèi)外分解方法對(duì)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)矩陣模型進(jìn)行分解，基于這個(gè)分解求解最優(yōu)控制器，然后在監(jiān)控模塊中實(shí)現(xiàn)控制作用。實(shí)際整定控制器時(shí)，在線單調(diào)地增減每列控制器中的單一調(diào)節(jié)參數(shù)，直至獲得要求的控制系統(tǒng)標(biāo)稱性能及其魯棒穩(wěn)定性，并以最佳的方式在兩者之間進(jìn)行折衷。
本發(fā)明在現(xiàn)有的電子監(jiān)控設(shè)備和工控計(jì)算機(jī)中直接運(yùn)行和實(shí)施，具體步驟如下第一.通過組態(tài)界面啟動(dòng)主機(jī)發(fā)出的采樣命令，當(dāng)工控機(jī)的檢測(cè)部分接到采樣命令后，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行采樣濾波，由模擬量輸入通道將采樣信號(hào)送入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)后對(duì)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)象辨識(shí)模塊辨識(shí)出線性多變量過程的模型參數(shù)后，將模型參數(shù)送到主機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中并由主機(jī)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)顯示在組態(tài)界面上。其中多變量對(duì)象在線辨識(shí)方法有很多種，如繼電反饋法等，可以參見相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，在這里不再詳述并假設(shè)辨識(shí)過程已經(jīng)完成。
第二.啟動(dòng)工控機(jī)的CPU調(diào)用事先編寫好的程序解析設(shè)計(jì)出最優(yōu)控制器。詳細(xì)的算法步驟如下1)利用改進(jìn)內(nèi)外分解方法對(duì)線性多變量過程的辨識(shí)模型進(jìn)行分解，分解形式如下G(s)＝GO(s)GA(s)GMP(s) (1)其中
GO(s)=Σj=1p(-s/zcj+1s/z‾cj+1)a...(2)]]>GA(s)＝I-B*(sI+A)-1F-1B (3)GMP(s)=Σj=1p(s/zcj+1-s/z‾cj+1)a[I-B-1F(sI+A‾)B*-1]G(s)...(4)]]>這里zcj是系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩G(s)的公共零點(diǎn)，p是G(s)的公共零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，若p＝0，則a＝0，否則a＝1。另外， B=B1···BrzBj=vj1···vjkj]]>F是Lyapunov方程FA+ATF＝BB*的解。zj為系統(tǒng)開右半平面零點(diǎn)，重?cái)?shù)為kj，vkj，j＝1...rz(vkj≠0，)，為其零點(diǎn)方向，滿足vj1GA(zj)＝0(7)lims→zjdldsl{[Σi=-kj-1vj(i+kj+1)(-s+zj)i+kj]GA(s)}=0,l=0,1,2,···,kj-1...(8)]]>vkj的計(jì)算如下vj1G(zj)＝0，vj2G(zj)＝vj1G(1)(zj)，...
vjkjG(zj)=Σl=1kj-1(-1)kj-l+1vjl(kj-l)!Gkj-l(zj),]]>
F＝Fij，F(xiàn)ij=[fxyij],fxyij=vixvjy*z‾j+zi+f(x-1)yij+fx(y-1)ijz‾j+zi.]]>2)由于實(shí)際工業(yè)過程中往往存在各種不確定性，對(duì)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不利影響，為此引入以下調(diào)節(jié)因子來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器，從而保證控制器的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，具體調(diào)節(jié)因子的形式為J(s)＝diag{J1(s)，...，Jp(s)} (10)Ji(s)=1(λis+1)ni...(11)]]>其中，λi是可調(diào)參數(shù)，用于在線調(diào)節(jié)和整定控制器以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制性能。需要指出的是λi的初始值可由操作人員根據(jù)過程的辨識(shí)模型參數(shù)選擇，并通過組態(tài)界面?zhèn)鬏斀o控制器解析設(shè)計(jì)程序。終值則是根據(jù)要求的閉環(huán)響應(yīng)曲線在線調(diào)節(jié)獲得，具體見第五步。λi的初始值設(shè)定規(guī)則是可調(diào)參數(shù)初始值應(yīng)該根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)定，一般可以取控制對(duì)象傳函矩陣中相應(yīng)的對(duì)角元素的時(shí)間常數(shù)的1-1.5倍。
3)依據(jù)H2最優(yōu)控制理論和已設(shè)計(jì)出的最優(yōu)控制器的調(diào)節(jié)因子，設(shè)計(jì)H2最優(yōu)控制器為Copt(s)=GMP-1(s)GA-1(0)J(s)[I-G(s)GMP-1(s)GA-1(0)J(s)]-1...(12)]]>第三.離散化最優(yōu)控制器表達(dá)式，得到當(dāng)前時(shí)刻控制量，具體如下先對(duì)控制器中每個(gè)元素進(jìn)行離散化，并化成形如式(13)的標(biāo)準(zhǔn)形式Cij(z)=b1+b2z-1+···bm-1z-(β-1)a1+a2z-1+···an-1z-(a-1)=uij(z)eij(z)...(13)]]>由表達(dá)式(13)得控制器輸出控制量的分量表達(dá)式a1uij(z)+a2uij(z-1)+...an-1uij(z-α+1)＝b1eij(z)+b2eij(z-1)+...bm-1eij(z-β+1)(14)將上式寫成時(shí)間遞推形式為如下形式
a1uij(k)+a2uij(k-1)+...an-1uij(k-α+1)＝b1eij(k)+b2eij(k-1)+...bm-1eij(k-β+1)(15)由此得到控制器第i個(gè)輸出控制量的表達(dá)式如下式(16)所示ui(k)=Σj=1nuij(k)...(16)]]>上述表達(dá)式(13)中α，β分別表示控制器每一個(gè)元素分子分母的階次。表達(dá)式(13-16)式中ui(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻控制器的第i個(gè)輸出控制量uij(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸出控制量eij(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸入偏差量uij(k-α+1)-當(dāng)前(k-α+1)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸出控制量eij(k-β+1)-當(dāng)前(k-β+1)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸入偏差量ui(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻控制器第i個(gè)輸出控制量第四.對(duì)ui(k)，i＝1，...，n進(jìn)行限幅，防止積分飽和，然后由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對(duì)象，使被控對(duì)象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)。
第五.通過組態(tài)界面對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)和整定，如此周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)控制。調(diào)節(jié)參數(shù)λi的在線整定規(guī)則調(diào)小λi可以加快對(duì)應(yīng)的過程輸出響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的標(biāo)稱性能，但是相應(yīng)所需的第i列的控制器的輸出能量要增大，并且它所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要提供的輸出能量也要增大。在面臨被控過程的未建模動(dòng)態(tài)特性時(shí)，不利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；相反，增大λi會(huì)使對(duì)應(yīng)的過程輸出響應(yīng)變緩，但是所要求的第i列的控制器的輸出能量減小，并且其所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的輸出能量也會(huì)減小，有利于提高控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。因此實(shí)際整定調(diào)節(jié)參數(shù)λi時(shí)，應(yīng)在控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)的標(biāo)稱性能與魯棒性和每個(gè)控制器的輸出之間權(quán)衡。
本發(fā)明提出的線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法的突出優(yōu)點(diǎn)是1.實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)性能H2全局最優(yōu)的控制器是解析的，因而極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作；2.控制器設(shè)計(jì)過程對(duì)過程辨識(shí)模型要求低，不需要過程狀態(tài)變量信息；3.全局最優(yōu)控制器矩陣中的每列子控制器均為單參數(shù)整定且都由同一參數(shù)整定，可以實(shí)現(xiàn)在線單調(diào)地定量調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能；4.控制器整定方法能夠保證控制系統(tǒng)具有良好的魯棒穩(wěn)定性，對(duì)于過程參數(shù)發(fā)生變化不敏感，可以在較大范圍內(nèi)適應(yīng)被控過程建模誤差以及過程參數(shù)攝動(dòng)。


圖1為本發(fā)明給出的最優(yōu)控制器的整定方法所基于的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
圖2為采用本發(fā)明方法的工控系統(tǒng)的工作流程圖。
圖3為實(shí)際工廠對(duì)象的輸出閉環(huán)響應(yīng)。
其中，圖3(a)示出了在第一個(gè)階躍設(shè)定點(diǎn)輸入和階躍干擾輸入作用下系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了第二個(gè)階躍設(shè)定點(diǎn)輸入和階躍干擾輸入作用下作用下系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，其中，實(shí)線為輸出y1的響應(yīng)曲線，點(diǎn)線為輸出y2的響應(yīng)曲線。
圖4為在有乘性不確定性作用下，實(shí)際工廠對(duì)象在第一個(gè)階躍輸入和階躍干擾輸入作用下的輸出閉環(huán)響應(yīng)。
其中，圖4(a)示出了輸出y1的響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了輸出y2的響應(yīng)曲線。其中，點(diǎn)線表示系統(tǒng)在有乘性不確定性情況下，沒有調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的輸出響應(yīng)曲線，實(shí)線表示系統(tǒng)在有乘性不確定性情況下，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)后的輸出響應(yīng)曲線。
圖5為在有乘性不確定性作用下，實(shí)際工廠對(duì)象在第二個(gè)階躍輸入和階躍干擾輸入作用下的輸出閉環(huán)響應(yīng)。
其中，圖5(a)示出了輸出y1的響應(yīng)曲線，圖5(b)示出了輸出y2的響應(yīng)曲線。其中，點(diǎn)線表示系統(tǒng)在有乘性不確定性情況下，沒有調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的輸出響應(yīng)曲線，實(shí)線表示系統(tǒng)在有乘性不確定性情況下，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)后的輸出響應(yīng)曲線。
圖4和圖5表明采用本發(fā)明中最優(yōu)控制方法的實(shí)施例系統(tǒng)中，當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)不確定性時(shí)，通過單調(diào)的調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，依然可以保證控制系統(tǒng)的魯棒性，并獲得滿意的控制效果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例提出的最優(yōu)控制器的整定方法所基于的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中C為控制器，G為被控對(duì)象，r和y分別為閉環(huán)系統(tǒng)的輸入和輸出，u為控制器輸出，d為擾動(dòng)輸入，e偏差信號(hào)。實(shí)際運(yùn)行實(shí)施時(shí)，實(shí)際工業(yè)過程就是被控對(duì)象，控制器則是利用工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破髡ㄟ^程是根據(jù)實(shí)際工業(yè)過程的工況對(duì)工控機(jī)中相應(yīng)的控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證實(shí)際工業(yè)過程達(dá)到期望的運(yùn)行狀態(tài)的過程。
如圖2所示，為本實(shí)施例采用的工控系統(tǒng)的工作流程圖。系統(tǒng)進(jìn)入控制階段后，用戶啟動(dòng)工控機(jī)的CPU，工控機(jī)讀取監(jiān)控模塊中的程序，順序執(zhí)行控制過程首先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)變送和A/D轉(zhuǎn)換等輸入預(yù)處理得到數(shù)字量輸入信號(hào)，判斷該信號(hào)極性，并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)估算最佳被控過程辨識(shí)模型參數(shù)，然后工控機(jī)調(diào)用最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)程序計(jì)算得到最優(yōu)控制器初始參數(shù)，并最終得到控制信號(hào)。該控制信號(hào)經(jīng)過限幅和D/A轉(zhuǎn)換等處理后去驅(qū)動(dòng)被控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的控制，然后用戶根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻過程響應(yīng)特征在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，如此周而復(fù)始完成最優(yōu)控制器的整定。
以下本實(shí)施例考慮以下工廠模型，G(s)=1(s+1)3(s-1)2(s-1)2(s-1)(s-2)2(s-1)(s-2)]]>第一步首先由工業(yè)控制系統(tǒng)中的辨識(shí)模塊依據(jù)常用的辨識(shí)方法如階躍響應(yīng)法，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行模型參數(shù)的辨識(shí)，得到被控對(duì)象的傳遞函數(shù)矩陣G(s)。同時(shí)得到重?cái)?shù)為3的NMP零點(diǎn)s＝1和重?cái)?shù)為1的NMP零點(diǎn)s＝2，并且得到系統(tǒng)的公共零點(diǎn)s＝1。
第二步啟動(dòng)工控機(jī)的CPU調(diào)用事先編制好程序解析設(shè)計(jì)出最優(yōu)控制器。具體計(jì)算過程如下1)對(duì)控制對(duì)象傳遞函數(shù)矩陣分解，首先根據(jù)公式(5)-(8)得到A=1002,B=1001,F=1/2001/4]]>然后應(yīng)用公式(2)-(4)得到GO(s)=-s+1s+1]]>GA(s)=-s+1s+1[I-B*(sI+A‾)-1F-1B]=-s+1s+1s-1s+100s-2s+2;]]>GMP(s)=s+1-s+1GA-1(s)G(s)=-1(s+1)2s+1s+1s+22(s+2);]]>2)應(yīng)用公式(9)設(shè)計(jì)最優(yōu)內(nèi)?？刂破鱍opt(s)為如下形式Qopt(s)=GM-1(s)GA-1(0)=s+1s+22(s+2)-(s+1)-(s+2)s+1]]>3)按照公式(10)，(11)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子為如下形式J(s)=1λ1s+1001λ2s+1]]>4)應(yīng)用公式(12)設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器Cop(s)為如下形式Copt(s)=2(s+1)3s(λ1s2+2λ1s+λ1+4)-(s+1)3s(λ2s2+3λ2s+2λ2+6)-(s+1)3s(λ1s2+2λ1s+λ1+4)(s+1)3s(λ2s2+3λ2s+2λ2+6)]]>其中，可調(diào)參數(shù)的初始值分別設(shè)置為λ1＝1.25，λ2＝1.05。
第三步啟動(dòng)工控機(jī)的CPU讀取控制器可調(diào)參數(shù)初始值，并根據(jù)(13-16)式得到當(dāng)前時(shí)刻的控制量。
第四步對(duì)ui(k)，i＝1，2進(jìn)行限幅，防止積分飽和，然后由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對(duì)象，使被控對(duì)象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)。此時(shí)組態(tài)界面上顯示的是系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線第五步，觀察系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線，通過組態(tài)界面對(duì)控制器進(jìn)行在線調(diào)節(jié)和整定。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在t＝0秒時(shí)刻給第一路輸入量加入單位階躍輸入信號(hào)r1＝1/s，而第二路輸入信號(hào)為r2＝0，同時(shí)在t＝20秒時(shí)刻給兩路輸入都加入階躍擾動(dòng)輸入，所得到的系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線為圖3中所示，圖4給出了當(dāng)r1＝0和r2＝1/s，同時(shí)在t＝20秒時(shí)刻給兩路輸入都加入階躍擾動(dòng)輸入時(shí)的系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線。對(duì)這個(gè)對(duì)象，應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制器實(shí)現(xiàn)了兩路閉環(huán)響應(yīng)解耦。
現(xiàn)在假設(shè)實(shí)際存在被控過程G的乘性輸入不確定性ΔI＝diag{(s+0.3)/(s+1)，(s+0.3)/(s+1)}，它可以近似地物理解釋為，被控過程的兩個(gè)輸入調(diào)節(jié)閥在高頻段具有高達(dá)100％的不確定性，并且在低頻段工作范圍具有將近30％的不確定性。在這種嚴(yán)重的過程輸入不確定性下進(jìn)行如上所述仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)施例給出的控制器的整定方法所得到的過程輸出響應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如附圖4和附圖5所示。
由圖4和圖5可以看到，本發(fā)明給出的控制器的整定方法(實(shí)線)能夠良好地保證系統(tǒng)的給定值響應(yīng)和負(fù)載干擾響應(yīng)的魯棒穩(wěn)定性。此外可以看到，單調(diào)地增大控制器c11和c21中的同一調(diào)節(jié)參數(shù)λ1，例如令其為2.7，就可以使第1個(gè)過程輸出的給定值響應(yīng)的振蕩減小，如圖4中的點(diǎn)線所示；同時(shí)單調(diào)地減小控制器c12和c22中的同一調(diào)節(jié)參數(shù)λ2，例如令其為0.7，就可以使第2個(gè)過程輸出的給定值響應(yīng)的上升速度加快，如圖5中的點(diǎn)線所示。因此，采用本實(shí)施例給出的控制器的整定方法可以很方便地在線進(jìn)行單調(diào)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出響應(yīng)，從而達(dá)到實(shí)際要求的工作指標(biāo)。
由于本發(fā)明針對(duì)工業(yè)過程中一般線性多輸入多輸出過程模型給出了最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)方法，所以適用于各種不同的多輸入多輸出生產(chǎn)過程。本發(fā)明給出的線性多變量過程最優(yōu)控制器的解析設(shè)計(jì)方法可廣泛應(yīng)用于石化、冶金、醫(yī)藥、建材和紡織等行業(yè)的生產(chǎn)過程。
權(quán)利要求
1.一種線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法，其特征在于，包括如下具體步驟第一.通過組態(tài)界面啟動(dòng)主機(jī)發(fā)出的采樣命令，當(dāng)工控機(jī)的檢測(cè)部分接到采樣命令后，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行采樣濾波，由模擬量輸入通道將采樣信號(hào)送入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)后對(duì)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)象辨識(shí)模塊辨識(shí)出線性多變量過程的模型參數(shù)后，將模型參數(shù)送到主機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中并由主機(jī)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)顯示在組態(tài)界面上；第二.啟動(dòng)工控機(jī)的CPU調(diào)用事先編寫好的程序解析設(shè)計(jì)出最優(yōu)控制器，最優(yōu)控制器形式為Copt(s)=GMP-1(s)GA-1(0)J(s)[I-G(s)GMP-1(s)GA-1(0)J(s)]-1]]>其中GA(s)＝I-B*(sI+A)-1F-1BGMP(s)=Σj=1p(s/zcj+1-s/z‾cj+1)a[I-B-1F(sI+A‾)B*-1]G(s)]]>zcj是系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩G(s)的公共零點(diǎn)，p是G(s)的公共零點(diǎn)的個(gè)數(shù)，若p＝0，則a＝0，否則a＝1，這里 B=B1···BrzBj=vj1···vjkj]]>F=[Fij],Fij=[fxyij],]]>x，y＝1，…kj，fxyij=vixvjy*z‾j+zi+f(x-1)yij+fx(y-1)ijz‾j+zi]]>J(s)＝diag{J1(s)，…，Jp(s)}，Ji(s)=1(λis+1)ni]]>其中zj為系統(tǒng)開右半平面零點(diǎn)，重?cái)?shù)為kj，vkj，j＝1…rz，vkj≠0，為其零點(diǎn)方向；rz是系統(tǒng)開右半平面零點(diǎn)的個(gè)數(shù)；λi是可調(diào)參數(shù)，用于在線調(diào)節(jié)和整定控制器以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制性能；第三.離散化最優(yōu)控制器表達(dá)式，得到當(dāng)前時(shí)刻控制器的第i個(gè)輸出控制量，具體如下ui(k)=Σj=1nuij(k)]]>其中uij(k)=1a1[b1eij(k)+b2eij(k-1)+···bm-1eij(k-β+1)]]>-a2uij(k-1)-…an-1uij(k-α+1)]a1…an-1和b1…bm-1是控制器中第ij個(gè)元素離散化并化成如下式標(biāo)準(zhǔn)形式Cij(z)=b1+b2z-1+···bm-1z-(β-1)a1+a2z-1+···an-1z(α-1)]]>中的系數(shù)，α，β分別表示控制器中第ij個(gè)元素分子分母的階次，上述表達(dá)式中ui(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻控制器的第i個(gè)輸出控制量uij(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸出控制量，eij(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸入偏差量，uij(k-α+1)-當(dāng)前(k-α+1)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸出控制量，eij(k-β+1)-當(dāng)前(k-β+1)時(shí)刻第Cij(z)控制器的輸入偏差量，ui(k)-當(dāng)前(k)時(shí)刻控制器第i個(gè)輸出控制量；第四.對(duì)ui(k)，i＝1，…，n進(jìn)行限幅，防止積分飽和，然后由D/A轉(zhuǎn)換后輸出至執(zhí)行器，由執(zhí)行器作用到被控對(duì)象，使被控對(duì)象運(yùn)行在給定的范圍內(nèi)；第五.通過組態(tài)界面對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)和整定，如此周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)控制。
2.如權(quán)利要求1所述的線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法，其特征是，調(diào)節(jié)參數(shù)λi的初始值由操作人員根據(jù)過程的辨識(shí)模型參數(shù)選擇，并通過組態(tài)界面?zhèn)鬏斀o控制器解析設(shè)計(jì)程序，終值則是根據(jù)要求的閉環(huán)響應(yīng)曲線在線調(diào)節(jié)獲得，其中λi的初始值設(shè)定規(guī)則是可調(diào)參數(shù)初始值應(yīng)該根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)定，取控制對(duì)象傳函矩陣中相應(yīng)的對(duì)角元素的時(shí)間常數(shù)的1-1.5倍。
3.如權(quán)利要求1所述的線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法，其特征是，調(diào)節(jié)參數(shù)λi的在線整定規(guī)則調(diào)小λi可加快對(duì)應(yīng)的過程輸出響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的標(biāo)稱性能，但是相應(yīng)所需的第i列的控制器的輸出能量要增大，并且它所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要提供的輸出能量也要增大，在面臨被控過程的未建模動(dòng)態(tài)特性時(shí)，不利于控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；相反，增大λi會(huì)使對(duì)應(yīng)的過程輸出響應(yīng)變緩，但是所要求的第i列的控制器的輸出能量減小，并且其所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的輸出能量也會(huì)減小，有利于提高控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性；因此實(shí)際整定調(diào)節(jié)參數(shù)λi時(shí)，應(yīng)在控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)的標(biāo)稱性能與魯棒性和每個(gè)控制器的輸出之間權(quán)衡。
全文摘要
一種線性多變量工業(yè)過程的全局最優(yōu)控制器整定方法，屬于工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)入控制階段后，用戶啟動(dòng)工控機(jī)的CPU，工控機(jī)讀取監(jiān)控模塊中的程序，順序執(zhí)行控制過程首先對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)變送和A/D轉(zhuǎn)換等輸入預(yù)處理得到數(shù)字量輸入信號(hào)，判斷該信號(hào)極性，并據(jù)此計(jì)算誤差信號(hào)估算最佳被控過程辨識(shí)模型參數(shù)，然后工控機(jī)調(diào)用最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)程序計(jì)算得到最優(yōu)控制器初始參數(shù)，并最終得到控制信號(hào)。該控制信號(hào)經(jīng)過限幅和D/A轉(zhuǎn)換等處理后去驅(qū)動(dòng)被控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的控制，然后用戶根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻過程響應(yīng)特征在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，如此周而復(fù)始完成最優(yōu)控制器的整定。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)中各類企業(yè)的生產(chǎn)過程控制。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1949107SQ20061011811
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者張衛(wèi)東, 劉媛媛, 顧誕英, 王倫, 王萍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)