本發(fā)明涉及化工生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)，針對(duì)化工生產(chǎn)中帶有大時(shí)滯輸出可測(cè)量的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過(guò)程，以最優(yōu)控制理論和魯棒控制理論為基礎(chǔ)，提出一種基于廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)輸出兩自由度控制方法，屬于工業(yè)過(guò)程控制
技術(shù)領(lǐng)域：
：。
背景技術(shù)：
：：在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，時(shí)滯現(xiàn)象普遍存在于生產(chǎn)過(guò)程操作和系統(tǒng)響應(yīng)。時(shí)滯系統(tǒng)是指生產(chǎn)物料、能量、信號(hào)在傳遞過(guò)程中存在時(shí)間延遲的系統(tǒng)，例如蒸汽和流體在管道中的流動(dòng)，化合反應(yīng)溶液溫度升、降溫過(guò)程中的滯后效應(yīng)，電氣和通訊信號(hào)在長(zhǎng)傳輸線上的滯后收發(fā)等。對(duì)于一個(gè)工業(yè)時(shí)滯控制系統(tǒng)，時(shí)滯可能存在于輸入調(diào)節(jié)器執(zhí)行、輸出傳感器測(cè)量、以及檢測(cè)和控制信號(hào)的傳輸過(guò)程中，也可能是由被控對(duì)象本身的機(jī)理造成。時(shí)滯的存在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的輸出響應(yīng)滯后和波動(dòng)，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般而言，控制系統(tǒng)的性能對(duì)于時(shí)滯比較敏感，時(shí)滯系統(tǒng)難以控制的主要原因包括：(1)當(dāng)存在擾動(dòng)時(shí)，引起的不利影響需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)滯才能檢測(cè)到；(2)控制變量在經(jīng)過(guò)時(shí)滯后才能做出相應(yīng)的控制響應(yīng)；(3)控制動(dòng)作與誤差信號(hào)時(shí)刻不匹配。因此，RichardJP在控制領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表的綜述文獻(xiàn)Time-delaysystems:anoverviewofsomerecentadvancesandopenproblems(Automatica,2003,39(10):1667-1694)中明確指出采用傳統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)很難達(dá)到較為滿意的控制效果。近年來(lái)，針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的研究受到越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注，基于傳統(tǒng)的閉環(huán)單位反饋PID控制結(jié)構(gòu)，Wang和Cai在文獻(xiàn)Advancedproportional-integral-derivativetuningforintegratingandunstableprocesseswithgainandphasemarginspecifications(Industrial&EngineeringChemistryResearch,2002,41(12):2910-2914)中基于相位裕度和增益裕度提出了基于經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的PID控制器整定方法，該方法可應(yīng)用于小時(shí)滯的生產(chǎn)過(guò)程。為了達(dá)到更好的控制效果，基于模型的內(nèi)?？刂品椒ㄊ艿搅嗽絹?lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用，近年得到了很大的發(fā)展和完善。然而已發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)模控制方法無(wú)法保證積分和不穩(wěn)定系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性。為了克服由傳統(tǒng)的單位反饋控制結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的“水床效應(yīng)”缺點(diǎn)，J.E.Normey-Rico等人在文獻(xiàn)Unifiedapproachforrobustdead-timecompensatordesign(JournalofProcessControl,2009,19(1):38-47)中提出了兩自由度預(yù)估器控制方法，相對(duì)于近期發(fā)展的其它控制算法，可以將設(shè)定點(diǎn)跟蹤響應(yīng)和擾動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行解耦來(lái)分別優(yōu)化，從而取得更好的控制性能。PedroAlbertos等人在近期文獻(xiàn)Robusttuningofageneralizedpredictor-basedcontrollerforintegratingandunstablesystemswithlongtime-delay(JournalofProcessControl,2013,23(8):1205-1216)中提出了一種離散域的廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以將對(duì)象時(shí)滯置于閉環(huán)之外，從而消除時(shí)滯對(duì)反饋控制的影響，但是其雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不便于控制器設(shè)計(jì)。因此，發(fā)展基于廣義預(yù)估器的控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)優(yōu)化方法，對(duì)大時(shí)滯生產(chǎn)過(guò)程調(diào)控優(yōu)化設(shè)定點(diǎn)跟蹤和抗擾性能優(yōu)化具有較好的理論創(chuàng)新性和工程應(yīng)用價(jià)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是大時(shí)滯化工生產(chǎn)過(guò)程的預(yù)測(cè)輸出兩自由度控制問(wèn)題，提供了一個(gè)基于無(wú)時(shí)滯輸出響應(yīng)預(yù)測(cè)器的兩自由度控制結(jié)構(gòu)，給出能用于大時(shí)滯穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定型生產(chǎn)過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明基于實(shí)際工程中常用的采樣系統(tǒng)離散域低階時(shí)滯模型，分別對(duì)具有時(shí)滯響應(yīng)的穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過(guò)程提出了離散域兩自由度控制設(shè)計(jì)方法。通過(guò)提出一個(gè)新的廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)，解析地設(shè)計(jì)了設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器和閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾控制器，可以分別對(duì)系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)跟蹤響應(yīng)和負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)和優(yōu)化。根據(jù)H2最優(yōu)控制性能指標(biāo)設(shè)計(jì)設(shè)定點(diǎn)跟蹤響應(yīng)控制器，閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾控制器是通過(guò)提出期望的閉環(huán)系統(tǒng)互補(bǔ)靈敏度函數(shù)，反向推導(dǎo)而確定。該控制方案的突出優(yōu)點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)跟蹤響應(yīng)的時(shí)域指標(biāo)可以通過(guò)單調(diào)地調(diào)節(jié)控制器中唯一的調(diào)節(jié)參數(shù)定量整定。關(guān)于所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)用小增益定理分析得出在一些典型的模型不確定性情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠保持魯棒穩(wěn)定性的充要條件，并且利用圖形化數(shù)值分析的方法給出抗干擾控制器中單一的調(diào)節(jié)參數(shù)的整定范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：(1)簡(jiǎn)化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)是一種可適用于控制穩(wěn)定型、積分型和不穩(wěn)定型大時(shí)滯生產(chǎn)過(guò)程的一般化控制結(jié)構(gòu)形式。這個(gè)控制結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：抗干擾控制器、設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器、無(wú)延遲輸出預(yù)估器。通過(guò)在該控制結(jié)構(gòu)的預(yù)估器中加入一個(gè)濾波器來(lái)達(dá)到消除預(yù)估誤差的效果，并在預(yù)估器中引入一個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到預(yù)測(cè)性能及其魯棒抗擾性之間的平衡。這種控制結(jié)構(gòu)的目的在于通過(guò)預(yù)測(cè)無(wú)時(shí)滯輸出響應(yīng)，可以在無(wú)時(shí)滯的情況下來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，從而能提高閉環(huán)控制系統(tǒng)性能。(2)設(shè)計(jì)抗干擾控制器抗干擾控制器是通過(guò)指定期望的閉環(huán)互補(bǔ)靈敏度函數(shù)反推而得。首先給出擾動(dòng)到輸入之間的傳遞函數(shù)，通過(guò)將其中隱含的接近單位圓、在單位圓上以及在單位圓之外的極點(diǎn)消除，來(lái)得到良好的抗干擾性能。該控制器中只有一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，通過(guò)單調(diào)的調(diào)節(jié)該參數(shù)可以方便地達(dá)到閉環(huán)控制性能和魯棒穩(wěn)定性之間的折衷。(3)設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器點(diǎn)跟蹤控制器基于H2最優(yōu)原理，通過(guò)零極點(diǎn)對(duì)消，得到從設(shè)定點(diǎn)到系統(tǒng)輸出的期望傳遞函數(shù)。在設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器中只有一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，它可以在(0,1)范圍中內(nèi)單調(diào)的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到設(shè)定點(diǎn)跟蹤性能和需要的控制信號(hào)大小之間的折衷。當(dāng)取一個(gè)較小的值時(shí)，設(shè)定點(diǎn)跟蹤速度就越快，但是控制器的輸出能量需要更大。另外，設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)對(duì)于對(duì)象不確定性會(huì)更敏感。相反，如果取一個(gè)較大的值，設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)速度變慢，相應(yīng)的控制器輸出能量就會(huì)減小。為了使控制信號(hào)或者輸出響應(yīng)更加平滑，設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器中可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)高階的濾波器。在選擇濾波器階次時(shí)，可以先選擇一階低通濾波器。如果控制信號(hào)或者輸出響應(yīng)出現(xiàn)較激烈的震蕩現(xiàn)象，可采用更高階次的濾波器來(lái)緩解，但代價(jià)是輸出響應(yīng)會(huì)變慢。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)方框原理圖。圖1中，表示實(shí)際的被控對(duì)象，即工業(yè)大時(shí)滯過(guò)程；w和n分別為被控對(duì)象輸入端負(fù)載擾動(dòng)和輸出端負(fù)載擾動(dòng)；F1(z)和F2(z)為廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu)中的預(yù)估器，其中輸入信號(hào)u和輸出信號(hào)y分別經(jīng)過(guò)F1(z)和F2(z)后相加得到無(wú)延遲的輸出信號(hào)信號(hào)反饋到抗干擾控制器Cf(z)的輸入端；信號(hào)r為控制系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器Cs(z)后與信號(hào)混合后成為抗干擾控制器Cf(z)的輸入信號(hào)u；被控對(duì)象的輸出檢測(cè)信號(hào)為y。圖2為期望的無(wú)延遲控制結(jié)構(gòu)，其中時(shí)間延遲被提出到閉環(huán)結(jié)構(gòu)之外。圖3為針對(duì)一個(gè)具體特定的被控對(duì)象，本發(fā)明與其他兩種控制算法的對(duì)比圖。圖3中，輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，擾動(dòng)信號(hào)w為幅值0.1的階躍信號(hào)。其中，圖3(a)示出了輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)示出了控制信號(hào)曲線。圖4為本發(fā)明的控制算法應(yīng)用于結(jié)晶反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)的升溫實(shí)驗(yàn)效果，并且與近期文獻(xiàn)給出的濾波史密斯預(yù)估器控制方法和二自由度PID控制方法進(jìn)行了對(duì)比。其中，圖4(a)示出了溫度響應(yīng)曲線，圖4(b)示出了加熱功率變化曲線。具體實(shí)施方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)描述。步驟一：簡(jiǎn)化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)如圖1所示簡(jiǎn)化廣義預(yù)估器控制結(jié)構(gòu)，其中r和y分別表示設(shè)定點(diǎn)輸入和過(guò)程輸出，w為過(guò)程輸入端的負(fù)載擾動(dòng)。過(guò)程模型如下其中G(z)表示無(wú)延遲部分，d為時(shí)間延遲。濾波器F1(z)和F2(z)用于預(yù)估無(wú)延遲輸出Cs(z)用于設(shè)定點(diǎn)跟蹤,Cf(z)為閉環(huán)抗干擾控制器。無(wú)延遲輸出由當(dāng)前已知信號(hào)u、y和模型得出：其中，n(z)表示可測(cè)量噪聲；F1(z)和F2(z)形式如下：其中m為中零點(diǎn)的個(gè)數(shù),nh為用戶自定義階次，{A,B,C}為的狀態(tài)空間最小實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以將延遲推出到閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)之外，如圖2所示。其中u,w和n到y(tǒng)之間期望的傳遞函數(shù)如下本發(fā)明可以用于帶有時(shí)滯響應(yīng)的穩(wěn)定型、積分型和不穩(wěn)定型工業(yè)過(guò)程，其傳遞函數(shù)分別表示如下其中|zp|＜1，|zu|＞1且|z0|＜1。步驟二：設(shè)計(jì)抗干擾控制器圖1為簡(jiǎn)化的廣義預(yù)估器結(jié)構(gòu),Cf為閉環(huán)抗干擾控制器，y,u和w之間的傳遞函數(shù)如下為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)保證內(nèi)部系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需滿足如下漸進(jìn)穩(wěn)定約束條件其中η為過(guò)程模型接近單位圓或在單位圓外的極點(diǎn)。對(duì)于積分過(guò)程，有一個(gè)極點(diǎn)在單位圓上，條件(15)應(yīng)被替換為負(fù)載擾動(dòng)w和u之間的期望傳遞函數(shù)如下其中系數(shù)βi(i＝1,2,...,l.)由條件(15)和(16)決定,λf為可調(diào)參數(shù)。相應(yīng)地，閉環(huán)控制器可由式(13)反推得到，如下所示注意：當(dāng)z0中含有Z平面負(fù)實(shí)部極點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，為解決這一問(wèn)題，提出如下控制器形式a)穩(wěn)定過(guò)程1)|zp|＜λf,即zp遠(yuǎn)離單位圓。對(duì)于如式(10)所示穩(wěn)定過(guò)程,令l＝0，由式(17)得將式(10),(20)代入(18)可得閉環(huán)控制器2)|zp|＞λf,即zp接近單位圓。對(duì)于穩(wěn)定過(guò)程,令l＝1，由式(17)得將式(22)代入條件(15)和(16)可得將式(10),(22)-(23)代入(18)可得閉環(huán)控制器b)積分過(guò)程1)|zp|＜λf,即zp遠(yuǎn)離單位圓。對(duì)于如式(11)所示積分過(guò)程,令l＝1，由式(17)得將式(25)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒(méi)有負(fù)實(shí)部,將式(11),(25)-(26)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實(shí)部,由式(19)可得2)|zp|＞λf,即zp接近單位圓。對(duì)于積分過(guò)程,令l＝1，由式(17)得將式(29)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒(méi)有負(fù)實(shí)部,將式(11),(29)-(30)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實(shí)部,由式(19)可得c)不穩(wěn)定過(guò)程1)|zp|＜λf,即zp不在單位圓附近。對(duì)于如式(12)所示積分過(guò)程,令l＝1，由式(17)得將式(33)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒(méi)有負(fù)實(shí)部,將式(12),(33)-(34)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實(shí)部,由式(19)可得2)|zp|＞λf,即zp靠近單位圓。對(duì)于積分過(guò)程,令l＝1，由式(17)得將式(29)代入條件(15)和(16)可得如果z0沒(méi)有負(fù)實(shí)部,將式(12),(37)-(38)代入(18)可得閉環(huán)控制器如果z0含有負(fù)實(shí)部,由式(19)可得步驟三：設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器在閉環(huán)抗干擾控制器Cf(z)設(shè)計(jì)完成的情況下，可以得到輸出到設(shè)定點(diǎn)間的傳遞函數(shù)其中Td(z)分解為全通部分TdA(z)和最小相位部分TdM(z),即根據(jù)內(nèi)模理論可得控制器形式如下：其中ng為正整數(shù)使得TdM(z)保持半正則，即分子分母含有相同階次。nf是用戶自定義的階次，λs為可調(diào)參數(shù)。步驟四：整定控制器參數(shù)單調(diào)地增大設(shè)定值跟蹤控制器Cs(z)的調(diào)節(jié)參數(shù)λs使設(shè)定點(diǎn)跟蹤響應(yīng)變慢，提高在有對(duì)象不確定性情況下的跟蹤響應(yīng)魯棒性，反之亦然；單調(diào)地增大閉環(huán)反饋控制器Cf(z)的調(diào)節(jié)參數(shù)λs加快閉環(huán)反饋控制性能，但在有對(duì)象不確定性情況下會(huì)使閉環(huán)魯棒穩(wěn)定性變差，反之亦然；結(jié)合實(shí)際升溫裝置的輸出功率限幅條件，通過(guò)在線單調(diào)地增大或減小這兩個(gè)控制參數(shù)λs和λf，達(dá)到快速無(wú)超調(diào)升溫控制效果。步驟5：仿真驗(yàn)證考察M.R.在文獻(xiàn)Controlofstable,integratingandunstableprocessesbythemodifiedSmithPredictor.(J.ProcessControl,2012,22(1),338-343.)中研究的一個(gè)不穩(wěn)定過(guò)程：令采樣周期t＝0.1s，可得如下離散模型：根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，令λ＝0.98，可得預(yù)估計(jì)如下：其中，c＝[1-1.96000.9604]其中，參數(shù)β0,β1,β2由式(38)決定，λs＝0.98，λf＝0.95。在t＝0(s)時(shí)在加入一個(gè)單位階躍信號(hào)作為系統(tǒng)輸入r，t＝80(s)時(shí)在過(guò)程輸入端加入一個(gè)反向的單位階躍擾動(dòng)w，控制效果如圖3所示。圖3(a)為被控過(guò)程輸出響應(yīng)曲線，圖3(b)為被控過(guò)程的控制信號(hào)變化曲線。圖中還示出了M.R.ek等在文獻(xiàn)Controlofstable,integratingandunstableprocessesbythemodifiedSmithPredictor.(J.ProcessControl,2012,22(1),338-343.)中利用PID控制器的控制方法和Y.Chen等在文獻(xiàn)Analyticaldesignofageneralizedpredictor-basedcontrolschemeforlow-orderintegratingandunstablesystemswithlongtimedelay(IET.ControlTheory&Appl.,2016,10(8),884-893)的控制方法，以作比較?？梢钥闯霰景l(fā)明的控制方法具有更好的設(shè)定點(diǎn)跟蹤性能和抗干擾性能。步驟六：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用的結(jié)晶反應(yīng)釜溫控系統(tǒng)模型如下：令采樣周期Ts＝3(s)，可以得到相應(yīng)的離散模型如下：控制目標(biāo)是將反應(yīng)釜內(nèi)溫度由室溫25攝氏度升高至45攝氏度，令λ＝0.98，m＝1andnh＝2,可以得到如下控制器：其中c＝104×[0.25,-0.98,1.4406,-0.9412,0.2306],兩自由度控制器形式如下：其中β1＝4/(1-λf)-β2，β0＝1-β1-β2,結(jié)合實(shí)際升溫裝置的輸出功率限幅條件，可調(diào)參數(shù)設(shè)定為λf＝0.9765及λs＝0.99?？刂菩Ч鐖D4中(a)和圖4(b)所示。圖4中(a)為結(jié)晶反應(yīng)釜溶液的溫度響應(yīng)曲線，圖4(b)中為電子加熱管的實(shí)際輸出功率。圖中還示出了J.E.Normey-Rico等在文獻(xiàn)Unifiedapproachforrobustdead-timecompensatordesign(J.ProcessControl,2009，19(1),38-47)中控制方法和Q.B.Jin等在文獻(xiàn)AnalyticalIMC-PIDdesignintermsofperformance/robustnesstradeoffforintegratingprocesses:From2-Dofto1-Dof(J.ProcessControl,2014,24(3),22-32)的二自由度PID控制方法的降溫控制效果，以作比較。可以看到，本發(fā)明的控制方法可以顯著提高降溫控制快速性，保證無(wú)過(guò)調(diào)響應(yīng)并且具有良好的抗干擾性能。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3