一種非自衡對象的控制方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種非自衡對象的控制方法和裝置，非自衡對象包括操作變量和被控變量，所述方法包括：建立所述非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣；根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系；根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，以保證在所述操作變量的變化量最小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的控制矛盾，而是從非自衡對象的臨界穩(wěn)定特性出發(fā)，高效完成非自衡對象的控制。
【專利說明】-種非自衡對象的控制方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及工業(yè)流程控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種非自衡對象的控制方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)流程控制領(lǐng)域中，對過程物質(zhì)或能量具有累積作用的系統(tǒng)被稱為非自衡對 象。由于非自衡對象是一個(gè)臨界穩(wěn)定對象，也就是說僅當(dāng)輸入與輸出該非自衡對象的物料 平衡時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定。所W，對非自衡對象控制的好壞直接關(guān)系到工業(yè)上的過程安全，因 此關(guān)于非自衡對象的控制問題一直是研究的熱點(diǎn)。
[0003] 目前，主流的非自衡對象的控制方法主要采用兩層結(jié)構(gòu)（穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)）控制的解 決方案。由于非自衡對象的臨界穩(wěn)定特性，主流的處理方法是通過穩(wěn)態(tài)優(yōu)化平衡與之相關(guān) 的輸入和輸出，將非自衡對象的輸出變化率調(diào)節(jié)至0,采用非自衡對象的斜率約束方法進(jìn)行 處理；動(dòng)態(tài)控制時(shí)，通過極小化非自衡對象與其設(shè)定點(diǎn)的偏差計(jì)算控制作用，達(dá)到被控變量 的調(diào)節(jié)。
[0004] 但是，上述主流的處理方式中的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的目的是保證非自衡對象變化率趨近與 零，保持非自衡對象的輸入輸出之間的平衡。相反，動(dòng)態(tài)控制的目的是滿足被控變量的設(shè)定 值控制的調(diào)節(jié)要求，需要打破該種平衡。所W，該種處理方式就導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)目的的不 一致性，從而在非自衡對象的控制過程中會(huì)產(chǎn)生追求平衡與打破平衡的矛盾狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種非自衡對象的控制方法和裝置。
[0006] 本發(fā)明提供了一種非自衡對象的控制方法，非自衡對象包括操作變量和被控變 量，所述方法包括：
[0007] 建立所述非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣；
[000引根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系；
[0009] 根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，W保證在所述操作變量的變化量最 小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。
[0010] 優(yōu)選地，所述方法還包括：
[0011] 設(shè)置所述被控變量的安全約束范圍；
[0012] 實(shí)時(shí)追蹤所述被控變量的當(dāng)前值，當(dāng)確定所述被控變量的當(dāng)前值不在所述安全約 束范圍時(shí)，調(diào)節(jié)所述操作變量，使得預(yù)設(shè)的第二控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到所述安全約 束范圍。
[0013] 優(yōu)選地，所述非自衡對象還包括干擾變量，其中，所述根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確 定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，具體為：
[0014] 根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣和所述干擾變量，確定所述操作變量與所述被控變量的速 率關(guān)系。
[0015] 優(yōu)選地，所述方法還包括：
[0016] 根據(jù)所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，預(yù)先確定所述非自衡對象的動(dòng)態(tài) 控制參考軌跡；
[0017] 在調(diào)節(jié)所述操作變量的過程中，實(shí)時(shí)獲取所述操作變量的變化量軌跡；
[0018] 將所述操作變量的變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡比較，實(shí)時(shí)調(diào)整所述操作 變量，使得所述變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡最大程度的重合。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種非自衡對象的控制裝置，所述裝置包括：
[0020] 建立模塊，用于建立非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，所述非自衡對象包括操作變量 和被控變量；
[0021] 第一確定模塊，用于根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量 的速率關(guān)系；
[0022] 調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，W保證在所述操作變 量的變化量最小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或 目標(biāo)值。
[0023] 優(yōu)選地，所述裝置還包括：
[0024] 設(shè)置模塊，用于設(shè)置所述被控變量的安全約束范圍；
[0025] 追蹤模塊，用于實(shí)時(shí)追蹤所述被控變量的當(dāng)前值，當(dāng)確定所述被控變量的當(dāng)前值 不在所述安全約束范圍時(shí)，調(diào)節(jié)所述操作變量，使得預(yù)設(shè)的第二控制時(shí)間后所述被控變量 達(dá)到所述安全約束范圍。
[0026] 優(yōu)選地，所述第一確定模塊，具體用于：
[0027] 根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣和所述非自衡對象包括的干擾變量，確定所述操作變量與 所述被控變量的速率關(guān)系。
[0028] 優(yōu)選地，所述裝置還包括：
[0029] 第二確定模塊，用于根據(jù)所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，預(yù)先確定所 述非自衡對象的動(dòng)態(tài)控制參考軌跡；
[0030] 獲取模塊，用于在調(diào)節(jié)所述操作變量的過程中，實(shí)時(shí)獲取所述操作變量的變化量 軌跡；
[0031] 調(diào)整模塊，用于將所述操作變量的變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡比較，實(shí) 時(shí)調(diào)整所述操作變量，使得所述變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡最大程度的重合。
[0032] 本發(fā)明首先建立所述非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，其次，根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣， 確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系。最后，根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操 作變量，W保證在所述操作變量的變化量最小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被 控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的控 制矛盾，而是從非自衡對象的臨界穩(wěn)定特性出發(fā)，高效完成非自衡對象的控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實(shí)施例，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可W根據(jù)該些附圖獲得其 他的附圖。
[0034] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種非自衡對象的控制方法流程圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種非自衡對象的控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面將結(jié)合本申請實(shí)施例中的附圖，對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本申請中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。
[0037] 參考圖1，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種非自衡對象的控制方法流程圖，所述方法包 括：
[003引 S101 ;建立非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣。其中，所述非自衡對象包括操作變量和被 控變量。
[0039] 本實(shí)施例中，非自衡對象包括操作變量和被控變量。其中，操作變量可W包括輸入 變量和輸出變量。首先建立非自衡對象的階躍響應(yīng)的速率模型，能夠表示該非自衡對象的 輸入輸出的變化速率。如下at表示非自衡對象的階躍響應(yīng)的速率模型：
[0040] a'二[本奪，寺，...苗];
[0041] 其中，a;為階躍響應(yīng)系數(shù)，N為模型長度。
[0042] 其次，獲取所述非自衡對象的階躍響應(yīng)的速率模型后，再次獲取所述速率模型的 穩(wěn)態(tài)增益％，進(jìn)而構(gòu)造出由穩(wěn)態(tài)增益組成的穩(wěn)態(tài)增益矩陣G。
[0043] S102;根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系。
[0044] 本實(shí)施例中，由于所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣是由所述非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益組成，所W， 可W根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益建立如下所述非自衡對象的操作變量與被控變量之間的速率關(guān)系。
[0045] Ay^= G" Au,
[0046] 其中，下標(biāo)s表示穩(wěn)態(tài)，Ay,為所述非自衡變量的被控變量的穩(wěn)態(tài)斜率變化量， A 為所述非自衡變量的操作變量的穩(wěn)態(tài)變化量，定義為操作變量當(dāng)前值U化）與期望穩(wěn)態(tài) 值u(k+l)之差。
[0047] Aus= Us(k+1)-Us(k)
[0048] 實(shí)際應(yīng)用中，處于不平衡狀態(tài)的非自衡對象還可W包括干擾變量，如水槽中可能 會(huì)有雨水進(jìn)入等。為了控制所述非自衡對象，本實(shí)施例具體根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣和所述 干擾變量，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系。如下：
[0049] Ay^= G"Au,+F"Ad,；
[0050] 其中A屯為非自衡對象干擾變量變化量，F(xiàn)t為干擾變量與被控變量的速率增益關(guān) 系。由于未來干擾的不可知，A屯定義為上一時(shí)刻檢測得到的干擾d(k-l)與當(dāng)前時(shí)刻干擾 cKk)之差。
[0051] A 屯=d s(k)-屯化-1);
[0052] 根據(jù)操作變量與擾動(dòng)變量歷史增量序列，利用其對被控變量的階躍響應(yīng)速率模型 at,通過卷積計(jì)算被控變量的初速變化速率r。被控變量的期望變化速率為
[0053] dys = G r A 11曰甘。
[0054] S103 ;根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，W保證在所述操作變量的變化 量最小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。
[0055] 本實(shí)施例中，可W根據(jù)用戶的需求，預(yù)先設(shè)置所述非自衡對象的控制時(shí)間，即第一 控制時(shí)間，W保證所述非自衡對象在所述第一控制時(shí)間后可W維持在平衡的狀態(tài)。另外，可 W根據(jù)用戶的需求，預(yù)先設(shè)置所述非自衡對象的被控變量的目標(biāo)范圍或者目標(biāo)值。也就是 說，控制所述非自衡對象的目的是使所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或者目標(biāo)值，并維 持在平衡的狀態(tài)。
[0056] 實(shí)際操作中，可W根據(jù)確定的非自衡對象的所述操作變量與所述被控變量的速率 關(guān)系，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)所述非自衡對象的操作變量，如輸入變量或輸出變量。在調(diào)節(jié)所述非自衡 變量的操作變量的過程中，盡量保證所述非自衡變量的變化量最小，即所述非自衡對象的 資源最優(yōu)。同時(shí)，調(diào)節(jié)所述非自衡對象最終在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間內(nèi)使得所述被控變量達(dá) 到目標(biāo)范圍或者目標(biāo)值。例如，在調(diào)節(jié)非自衡對象水槽時(shí)，可W通過實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)水槽的進(jìn)水 量和出水量，使得水槽的液位與預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后達(dá)到目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。
[0057] 值得注意的是，為了保證所述非自衡對象的安全，本實(shí)施例可W預(yù)先為所述非自 衡對象的被控變量設(shè)置安全約束范圍。也就是說，在調(diào)節(jié)所述非自衡對象的操作變量的過 程中，必須保證所述被控變量是處于預(yù)設(shè)的安全約束范圍內(nèi)。具體的，在調(diào)節(jié)所述非自衡對 象的過程中，可W實(shí)時(shí)追蹤所述被控變量的當(dāng)前值。當(dāng)確定所述被控變量的當(dāng)前值不在預(yù) 設(shè)的安全約束范圍時(shí)，調(diào)節(jié)所述操作變量，使得在預(yù)設(shè)的第二控制時(shí)間后所述被控變量能 夠達(dá)到所述安全約束范圍。也就是說，所述非自衡對象的被控變量是被實(shí)時(shí)追蹤的，W保證 其能夠一直處于安全約束范圍，進(jìn)而確保所述非自衡對象的安全。
[0化引另外，值得注意的是，為非自衡對象的被控變量設(shè)置的安全約束范圍的重要性等 級(jí)較高。也就是說，在調(diào)節(jié)控制變量的過程中，必須保證所述被控變量處于所述安全約束范 圍。只有在保證安全的情況下，才能追求所述非自衡變量的平衡。
[0059] 實(shí)際應(yīng)用中，求解如下優(yōu)化命題，W計(jì)算所述非自衡對象的操作變量與被控變量 的最優(yōu)操作點(diǎn)。其中，帶自衡對象過程的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化可描述為，
[0060] mi,n./ = i^(",，.v、，A"、）
[006"1] S. t. U曰,y曰，Alls
[0062] 其中，U,，y,分別屬于RD，r的緊集，定義如下；

【權(quán)利要求】
1. 一種非自衡對象的控制方法，其特征在于，非自衡對象包括操作變量和被控變量，所 述方法包括： 建立所述非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣； 根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系； 根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，以保證在所述操作變量的變化量最小的 情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括： 設(shè)置所述被控變量的安全約束范圍； 實(shí)時(shí)追蹤所述被控變量的當(dāng)前值，當(dāng)確定所述被控變量的當(dāng)前值不在所述安全約束范 圍時(shí)，調(diào)節(jié)所述操作變量，使得預(yù)設(shè)的第二控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到所述安全約束范 圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述非自衡對象還包括干擾變量，其中， 所述根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，具體為： 根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣和所述干擾變量，確定所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān) 系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括： 根據(jù)所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，預(yù)先確定所述非自衡對象的動(dòng)態(tài)控制 參考軌跡； 在調(diào)節(jié)所述操作變量的過程中，實(shí)時(shí)獲取所述操作變量的變化量軌跡； 將所述操作變量的變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡比較，實(shí)時(shí)調(diào)整所述操作變 量，使得所述變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡最大程度的重合。
5. -種非自衡對象的控制裝置，其特征在于，所述裝置包括： 建立模塊，用于建立非自衡對象的穩(wěn)態(tài)增益矩陣，所述非自衡對象包括操作變量和被 控變量； 第一確定模塊，用于根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣，確定所述操作變量與所述被控變量的速 率關(guān)系； 調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)所述速率關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)所述操作變量，以保證在所述操作變量的 變化量最小的情況下，在預(yù)設(shè)的第一控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍或目標(biāo) 值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 設(shè)置模塊，用于設(shè)置所述被控變量的安全約束范圍； 追蹤模塊，用于實(shí)時(shí)追蹤所述被控變量的當(dāng)前值，當(dāng)確定所述被控變量的當(dāng)前值不在 所述安全約束范圍時(shí)，調(diào)節(jié)所述操作變量，使得預(yù)設(shè)的第二控制時(shí)間后所述被控變量達(dá)到 所述安全約束范圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述第一確定模塊，具體用于： 根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)增益矩陣和所述非自衡對象包括的干擾變量，確定所述操作變量與所述 被控變量的速率關(guān)系。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括： 第二確定模塊，用于根據(jù)所述操作變量與所述被控變量的速率關(guān)系，預(yù)先確定所述非 自衡對象的動(dòng)態(tài)控制參考軌跡； 獲取模塊，用于在調(diào)節(jié)所述操作變量的過程中，實(shí)時(shí)獲取所述操作變量的變化量軌 跡； 調(diào)整模塊，用于將所述操作變量的變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡比較，實(shí)時(shí)調(diào) 整所述操作變量，使得所述變化量軌跡與所述動(dòng)態(tài)控制參考軌跡最大程度的重合。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104503245SQ201410842633
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】李海強(qiáng), 劉傳玉, 張艷輝, 楊開香 申請人:浙江中控軟件技術(shù)有限公司