鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時滯系統(tǒng)的pid控制器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時滯系統(tǒng)的比例積分微分PID控制器設(shè)計(jì)方法，步驟如下：1）利用工控系統(tǒng)對以輸送到流漿箱中的低濃紙漿為輸入，以制造出的成品紙厚度為輸出的造紙生產(chǎn)過程進(jìn)行辨識，給出被控系統(tǒng)的多時滯模型；2）采用單位反饋控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合改進(jìn)的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)和推廣的Hermite定理，基于被控對象模型參數(shù)計(jì)算出能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的所有PID控制器的穩(wěn)定集合，首先選取足夠大的頻率上界ω*，計(jì)算出比例增益kp的最大允許穩(wěn)定范圍；接著對kp的最大允許穩(wěn)定范圍進(jìn)行遍歷，對每個遍歷點(diǎn)kp，根據(jù)多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件給出(kd,ki)的穩(wěn)定域，從而獲得(kp,ki,kd)的穩(wěn)定集合。只要在所求取的PID控制器穩(wěn)定集合中選取控制參數(shù)，并執(zhí)行PID控制程序，均能使被控對象運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。
【專利說明】鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時滯系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于過程控制【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是用于造紙生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)控制器設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]造紙過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，表現(xiàn)為不確定性，狀態(tài)的不完整性、參數(shù)間的強(qiáng)耦合性、純滯后和非線性特性等，是一個復(fù)雜的多變量控制對象。在造紙過程中，除常規(guī)的熱工參數(shù)需要檢測控制外，還有一些特殊的、重要的參數(shù)需要檢測和控制。如水分是造紙過程中的重要參數(shù):紙頁水分太高或太低，水分的波動幅度較大，會降低紙頁的伸張力和拉力而造成斷紙。并且影響這個參數(shù)的因素有三十余個，如打漿度，濕重、濃度和流量，白水的濃度和流量，填料的濃度和流量，蒸汽的過熱度、壓力和真空度，壓榨部的線壓力等等，都會影響成紙的水分。在眾多因素中，通常選擇紙漿流量作為整機(jī)控制的控制變量。對于網(wǎng)前部、銅網(wǎng)部、壓榨部和烘干部等的局部控制，被控變量與控制變量的選擇因不同的紙機(jī)而
巳
[0003]從工程實(shí)踐的角度來看，水分是造紙生產(chǎn)過程中最基本的質(zhì)量指標(biāo)之一，對其進(jìn)行在線控制是保證和提高紙張質(zhì)量的關(guān)鍵。而紙機(jī)流程被控對象的非線性、時變性、干擾因素的多樣性和不確定性、紙漿傳送網(wǎng)的車速不均勻、熱蒸汽的壓力變化、濕紙頁在烘干部的熱傳遞情況和成紙定量水分的耦合等諸多不利因素使得辨識出的系統(tǒng)模型存在多時滯現(xiàn)象。多時滯的存在不但增加了實(shí)現(xiàn)紙張水分自動控制的難度，且往往可以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，即:產(chǎn)出紙漿質(zhì)量不符合工藝標(biāo)準(zhǔn)。從理論分析的角度來看，在連續(xù)域中，時滯系統(tǒng)是一個無窮維的系統(tǒng)，特征方程是超越方程，有無窮多個特征根，而在離散域中，時滯系統(tǒng)的維數(shù)隨時滯的增加按幾何規(guī)律增大的，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和控制器的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。雖然對于具有單時滯模型的被控系統(tǒng)，已提出很多控制方法，但對于具有多時滯的系統(tǒng)的控制，無論在理論方面還是在工程實(shí)踐方面都具有極大的挑戰(zhàn)性。
[0004]常用的控制方法，如Smith預(yù)估控制、廣義預(yù)測控制方法，雖然對紙張質(zhì)量的提高起了一定的作用，但紙張水分的波動幅值較大，魯棒性和抗干擾性不夠好，且這些控制方法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。PID控制器因其僅有具有三個可調(diào)參數(shù)、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)過程中廣泛應(yīng)用。但近幾十年來，對于控制器的研究存在以下一些不足:
[0005]1.對于線性時滯系統(tǒng)，利用這些方法所得到的最優(yōu)控制器均為有理結(jié)構(gòu)，而且往往階次較高，一般與被控對象的階次相同，甚至更高，故控制器的實(shí)現(xiàn)成本很高，很難在造紙工業(yè)現(xiàn)場使用；
[0006]2.傳統(tǒng)控制方式是基于描述實(shí)際控制對象的數(shù)學(xué)模型，但是這些模型一般是使用一些近似法或簡化法得到，所以不可避免的會產(chǎn)生與相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)之間的誤差。參數(shù)不確定會使所得模型不準(zhǔn)確，從而可能會得到較差的性能；
[0007]3.對于時滯系統(tǒng)的低階控制器鎮(zhèn)定性分析，大多數(shù)方法都是采用有理傳遞函數(shù)來逼近時滯項(xiàng)。但是，由于時滯項(xiàng)逼近誤差的存在，采用此類低階控制器設(shè)計(jì)方法可能會導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其是對于大時滯系統(tǒng)，逼近誤差會更大；
[0008]4.雖然有一些方法直接針對時滯系統(tǒng)可以確定PID控制器的穩(wěn)定集合，如Norbert H.提出的基于奇異頻率的穩(wěn)定域求解方法(All stabilizing PID controllersfor time delay systems, Automatica, 2009，45 (11): 2678-2684),但到目前為止還僅局限于具有單個時滯的被控對象，無法應(yīng)用于具有多時滯的復(fù)雜被控對象。
[0009]在造紙生產(chǎn)過程控制中，通常存在一種由串聯(lián)、并聯(lián)等關(guān)系作用下的具有多時滯的被控對象，而且這些時滯也不盡相同。因此多時滯被控對象的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)非常困難。一般在進(jìn)行模型辨識時，將這類復(fù)雜被控對象辨識為具有單時滯的線性模型，從而產(chǎn)生較大的模型誤差。如何在反饋控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)簡單的PID控制器以保證復(fù)雜的多時滯被控系統(tǒng)穩(wěn)定是一個尚未解決且對工業(yè)控制起著重要作用的研究問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于:針對現(xiàn)有造紙系統(tǒng)控制方法研究中，僅局限于將被控對象辨識為簡單的單時滯模型并進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)的不足，提出一種鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時滯系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)方法。首先利用改進(jìn)的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)確定具有PID控制器的多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件，然后基于推廣的Hermite定理確定能夠保證多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定的所有PID控制器集合，完成PID控制器的參數(shù)化。只要在所獲得的PID控制器穩(wěn)定集合中選取參數(shù)的值，都能夠保證多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定，從而更準(zhǔn)確地鎮(zhèn)定造紙生產(chǎn)系統(tǒng)。該方法是一種通用的解析設(shè)計(jì)方法，對于任意給定的單輸入單輸出線性多時滯模型，都能夠快速、有效和準(zhǔn)確地給出PID控制參數(shù)穩(wěn)定集，從而可通過在該穩(wěn)定集中進(jìn)行參數(shù)的選取和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，讓用戶最簡單化地完成控制器設(shè)計(jì)。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:先利用工控系統(tǒng)辨識出被控對象的多時滯線性模型，然后在現(xiàn)有的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用單位反饋控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合改進(jìn)的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)和推廣的Hermite定理,基于被控對象模型參數(shù)計(jì)算出PID控制器C(S)=I^kiZVkdS中控制參數(shù)的穩(wěn)定域，其中kp，ki； 1^分別為比例，積分，微分增益；接著將提出的多時滯系統(tǒng)PID控制方法算法集成在工業(yè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控模塊中，通過在算法獲得的穩(wěn)定集合中進(jìn)行控制參數(shù)選取和調(diào)節(jié)，選取能夠滿足用戶要求的PID控制參數(shù)并得到控制信號，實(shí)現(xiàn)對多時滯被控對象的控制，同時用戶還可通過在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來調(diào)節(jié)控制效果。具體步驟如下:
[0012](I)先利用工控系統(tǒng)對以輸送到流漿箱中的低濃紙漿為輸入，以制造出的成品紙厚度為輸出的造紙生產(chǎn)過程進(jìn)行辨識，給出具有如下形式的多時滯模型G(S):
【權(quán)利要求】
1.鎮(zhèn)定單輸入單輸出多時滯系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述控制方法包括以下步驟: (1)先利用工控系統(tǒng)對以輸送到流漿箱中的低濃紙漿為輸入，以制造出的成品紙厚度為輸出的造紙生產(chǎn)過程進(jìn)行辨識，給出具有如下形式的多時滯模型G(S):
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【文檔編號】G05B13/04GK103616819SQ201310618817
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】歐林林, 陳駿杰, 趙千一, 禹鑫燚, 俞立 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)