單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器及控制方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在非自衡生產(chǎn)過程建模困難，所得控制系統(tǒng)穩(wěn)定性難以分析，控制器調(diào)節(jié)參數(shù)多的問題。本發(fā)明通過采用單控制器，只需對被控對象實施脈沖響應(yīng)測試獲得生產(chǎn)過程的預(yù)測模型，通過構(gòu)建單自由度的控制輸入，利用新穎的誤差反饋校正方法，搭建預(yù)測函數(shù)控制算法：(1)建立單自由度控制輸入：選擇未來系統(tǒng)控制輸入由一個基函數(shù)加權(quán)組成；(2)對被控對象實施脈沖信號激勵獲得過程模型；(3)建立未來系統(tǒng)期望性能指標(biāo)；(4)未來預(yù)測輸出的推導(dǎo)；(5)搭建特殊化的誤差反饋校正；(6)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性保證及跟蹤設(shè)定值零偏差的技術(shù)方案，較好地解決了該問題，可用于非自衡生產(chǎn)過程的操作優(yōu)化控制。
【專利說明】單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在實際工業(yè)過程控制應(yīng)用中，常見一類對象，即在系統(tǒng)發(fā)生輸入信號激勵的情況 下，被控系統(tǒng)不能自己達(dá)到新的平衡，其過程輸出值將一直增加或減小下去，稱此類系統(tǒng)為 非自衡系統(tǒng)。常見的非自衡對象包括精餾塔、蒸餾塔、汽提塔等裝置的液位，在實際操作中 能否很好的控制這些裝置從而減少對下游裝置的影響非常關(guān)鍵。
[0003] 目前針對此類系統(tǒng)的控制方法主要是對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的校正應(yīng)用，但這類方法 的缺點依然表現(xiàn)在針對非自衡系統(tǒng)需要借助2個以上的調(diào)節(jié)器才能確保系統(tǒng)穩(wěn)定，導(dǎo)致了 控制方法中調(diào)節(jié)參數(shù)過多，而且這些調(diào)節(jié)參數(shù)大多數(shù)基于所得的傳遞函數(shù)模型，局限性較 大，且控制效果不好。此外，PID調(diào)節(jié)器屬于被動調(diào)節(jié)策略，通常是在外界發(fā)生干擾或者系 統(tǒng)參數(shù)發(fā)生攝動后才調(diào)節(jié)控制輸入，從而使得相應(yīng)的控制系統(tǒng)魯棒性能不好，難以給出很 好的控制效果。
[0004] 預(yù)測函數(shù)控制方法的優(yōu)點在于既能適應(yīng)于快速對象，又能適用于慢過程對象，在 實際工業(yè)中已有很多應(yīng)用，而且預(yù)測函數(shù)控制對于過程模型沒有過多的要求，只要能方便 再現(xiàn)過程的特征，則相關(guān)信息都可用來表示過程模型。鑒于在實際控制操作中，可以很方便 以測試方法獲得過程模型，此外由于非自衡生產(chǎn)過程在外加脈沖信號后，其響應(yīng)值將在未 來時間段為常數(shù)的特點，所以可以方便通過外加測試信號來獲得過程模型。所以，借助研究 脈沖信號測試方法設(shè)計非自衡生產(chǎn)過程的預(yù)測函數(shù)控制算法具有現(xiàn)實意義。
[0005] Hou Z. S.教授在文獻(xiàn)《The model-free learning adaptive control of a class of SIS0 nonlinear systems》（Proc. of American Control Conf. , New Mexico, 1997:343-344)中，通過引入偏微分的概念，避免了非線性過程的建模問題，是一種較好的 非線性過程的控制方法，但是其沒有給出具體的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)方法，更沒有利用系統(tǒng)的未 來預(yù)測信息。在實際中由于預(yù)測控制算法能很好利用預(yù)測模型，反饋校正等概念等到了更 好的工程應(yīng)用，其中預(yù)測函數(shù)控制方法由于其結(jié)構(gòu)化的控制輸入形式得到了更多人的關(guān) 注。為此開發(fā)結(jié)合無須辨識模型及實現(xiàn)簡單的非線性預(yù)測模型方法非常必要。
[0006] 目前針對此類系統(tǒng)的控制主要是對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的校正應(yīng)用，Majhi教授在文 獻(xiàn)〈〈Modified smith predictor and controller for processes with time delay)) (IEE Proc.-Control Theory Appl. 1999,140(5)，359-366)提出了針對此類系統(tǒng)的PID控制新 方法，后續(xù)又有其他類似的方法出現(xiàn)，但這類方法的缺點依然表現(xiàn)在針對非自衡系統(tǒng)需要 借助2個以上的調(diào)節(jié)器才能確保系統(tǒng)穩(wěn)定，導(dǎo)致了控制方法中調(diào)節(jié)參數(shù)過多，而且這些調(diào) 節(jié)參數(shù)大多數(shù)基于所得的傳遞函數(shù)模型，局限性較大。此外，PID調(diào)節(jié)器屬于被動調(diào)節(jié)策略， 通常是在外界發(fā)生干擾或者系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生攝動后才調(diào)節(jié)控制輸入，從而使得相應(yīng)的控制系 統(tǒng)魯棒性能不好，難以給出很好的控制效果，針對具體塔液位控制在外界干擾存在的情況 下，不能及時消除外界影響，導(dǎo)致塔液位波動，影響下游生產(chǎn)。
[0007] 預(yù)測函數(shù)控制（PFC)是Richalet和Kuntze于20世紀(jì)80年代提出的第三代模型 預(yù)測控制算法，視控制輸入的結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵，可以克服其它模型預(yù)測控制可能出現(xiàn)規(guī)律不明 的控制輸入問題。由于乙苯脫氫生產(chǎn)中控制輸入影響控制輸出關(guān)系較復(fù)雜，所以利用PFC 來研究乙苯催化脫氫系統(tǒng)的預(yù)測控制非常必要，通過PFC中基函數(shù)的選擇使得控制系統(tǒng)的 輸入規(guī)律更加明確，控制性能更高。因此，本發(fā)明借助預(yù)測函數(shù)控制來設(shè)計多輸入多輸出乙 苯脫氫生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制方法具有現(xiàn)實意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中存在單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程建 模困難，所得控制系統(tǒng)穩(wěn)定性難以分析，控制器調(diào)節(jié)參數(shù)多的問題。該方法具有保證控制系 統(tǒng)魯棒穩(wěn)定及跟蹤設(shè)定值無偏差，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種單輸入單輸出非自衡生 產(chǎn)過程的控制器，所述的控制器根據(jù)非自衡生產(chǎn)過程的特點，利用對非自衡生產(chǎn)過程實施 脈沖信號激勵，采集實際測試數(shù)據(jù)建立脈沖響應(yīng)模型，通過搭建單自由度控制輸入，利用誤 差反饋校正方法和預(yù)測函數(shù)控制算法，控制信號的單輸入或單輸出。
[0010] 上述技術(shù)方案中，所述的單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器的控制方法，通 過搭建單自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預(yù)測函數(shù)控制算法，控制信號的單輸 入或單輸出，搭建預(yù)測函數(shù)控制算法，包括以下步驟： (1) 建立單自由度控制輸入：選擇未來過程控制輸入由一個基函數(shù)加權(quán)組成； u(k) = u(k+j") = ^(k) (j = 1,2,· ·, A'j -1) (2) 對被控對象實施脈沖信號的激勵獲得過程測試模型； (3) 建立未來系統(tǒng)期望性能指標(biāo)； (4) 未來預(yù)測輸出的推導(dǎo)； (5) 搭建特殊化的誤差反饋校正； (6) 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及跟蹤設(shè)定值零偏差的保證； 其中《(Α;)為系統(tǒng)當(dāng)前控制輸入，為系統(tǒng)未來期望輸入，為控制輸入加權(quán) 系數(shù)。
[0011] 上述技術(shù)方案中，優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述的單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控 制器的控制方法，其特征在于，非自衡生產(chǎn)過程特征如下： 單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程可描述為：

【權(quán)利要求】
1. 一種單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器，所述的控制器根據(jù)非自衡生產(chǎn)過程的 特點，利用對非自衡生產(chǎn)過程實施脈沖信號激勵，采集實際測試數(shù)據(jù)建立脈沖響應(yīng)模型，通 過搭建單自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預(yù)測函數(shù)控制算法，控制信號的單輸 入或單輸出。
2. 權(quán)利要求1所述的單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器的控制方法，通過搭建單 自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預(yù)測函數(shù)控制算法，控制信號的單輸入或單輸 出，搭建預(yù)測函數(shù)控制算法，包括以下步驟： (1) 建立單自由度控制輸入：選擇未來過程控制輸入由一個基函數(shù)加權(quán)組成；
(2) 對被控對象實施脈沖信號的激勵獲得過程測試模型； (3) 建立未來系統(tǒng)期望性能指標(biāo)； (4) 未來預(yù)測輸出的推導(dǎo)； (5) 搭建特殊化的誤差反饋校正； (6) 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及跟蹤設(shè)定值零偏差的保證； 其中a(i)為系統(tǒng)當(dāng)前控制輸入，為系統(tǒng)未來期望輸入，A#)為控制輸入加權(quán) 系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器的控制方法，其特征 在于，非自衡生產(chǎn)過程特征如下： 單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程可描述為：
(1) 其中寫是非自衡生產(chǎn)過程的脈沖響應(yīng)系數(shù)，是過程輸入，辦(句是過程輸出；由于 非自衡對象脈沖響應(yīng)的特殊性，由圖1可知其脈沖響應(yīng)系數(shù)5在某一步長F后保持常值 利用這個特點，式（1)簡化為
(2) 將式（2)變換到Z域，有
(3)
表示非自衡生產(chǎn)過程傳遞函數(shù)的穩(wěn)定部分，且-n ； s0 = 0 對上式做等價變換，得非自衡生產(chǎn)過程的脈沖響應(yīng)模型 則基于設(shè)計控制器的預(yù)測模型可表示為 (4) (5) Μ 式中σΜι⑷= Σ(α-%4)^表示非自衡生產(chǎn)過程模型的穩(wěn)定部分，且。_η ;則模型未 ?-l so - u 來預(yù)測輸出為
(6) 為給出系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析結(jié)果，給出如下三個定義： 定義4. 1.賢包含脈沖響應(yīng)系數(shù)在最小值§和最大值?;之間的所有對象，記為
(7) 且有 Δ31 =: {Δ^ <Δ^ <Δ^,? (8) 其中 Δ今==g , = Sj - , = Sj - Sj_i,備=Ο , s〇 = Ο ; 在如上給定對象不確定描述下，SH包含了脈沖響應(yīng)系數(shù)在S和_之間的所有對象； 定義4. 2.對于脈沖響應(yīng)系數(shù)為^的受控對象，對象與模型之間的誤差總和Μ表示為
(9) 由式（9)知對象與模型脈沖響應(yīng)系數(shù)之間的偏差滿足
(10) 如此可得模型和對象之間的最大失配； 定義4. 3.最大失配
由式（9)知i'與if滿足如下關(guān)系 假定對象和模型增益~ %不為零，即 ^ Ο ; 0 (12) 確定未來系統(tǒng)期望性能指標(biāo)如下： (11) (13) 式中[化&]是優(yōu)化時域，沐+〇 = >?#+:)-d(wW-hW)為參考軌跡 具有和穩(wěn)定對象控制中類似的定義，其目的是希望系統(tǒng)輸出安裝設(shè)定的參考軌跡 跟蹤設(shè)定值，Γ3為采樣時間，為閉環(huán)控制系統(tǒng)期望響應(yīng)時間， w是 設(shè)定值，對于常值設(shè)定點跟蹤><1: +馬）=w(lr) ; 是預(yù)測誤差校正，在此取 ￡^+0 = (1-45^-1) + (1 + ^38)^1:-1)-6(^-2)1+34^-1) , β 是引入的參數(shù)，有助于提高 生產(chǎn)系統(tǒng)的魯棒性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單輸入單輸出非自衡生產(chǎn)過程的控制器的控制方法，其特征 在于推導(dǎo)過程未來期望的預(yù)測輸出，得到控制輸入，獲取控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)方法，具體如 下： (1) 當(dāng)i時刻控制輸入 = (2) 未來第乓步預(yù)測輸出 八汸+馬）=?(* + 乓)+ 乃^ + 4) (14) yp (k + h ^) = ?^ , (i + /?；) = 〇u^t+ + (.^ ~ h (15) 式中： ^^5 ~ [sl S2 " SH{1 , ?m=\_u(k + HfV} u(k + h - T)…u(、ky\， ^1? = [Si|+1 " S0 S .%+2 - Sl …SN - SN -馬-ll， ￡7項=[a(免-1) u(k-2) -uik-N+Hi)], S21^ = % - %-鳥+1 …- %-l ]， ?2Μ? = [a(i- Μ-1+,?) (k -N-2+Η；) -u(k - A〇]； (3) 令= ? =丑，由=+ ^ + +扣，且令當(dāng)前it時亥1J誤差校正 丑(先)=SGt+A)，可得控制輸入 式中/是一適當(dāng)維數(shù)的單位行向量，且 yr4(k+Hl) = w(k + .^)- (w(k) - yt(k)), (16)
【文檔編號】B01D3/42GK104111605SQ201310130322
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月16日
【發(fā)明者】張彬, 劉文杰, 郭毅 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院