專利名稱：內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)過程控制技術領域的方法，具體是一種內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法。
背景技術：
1979年，內(nèi)模控制結構(IMC)首先由Brosilow根據(jù)Smith預估補償控制原理提出的，以后由Carcia和MorariGarcia從典型的單輸入單輸出系統(tǒng)方塊圖開始提出了一種統(tǒng)一的基本結構，內(nèi)?？刂萍夹g已應用于許多工業(yè)控制過程中，被公認為是最適合工業(yè)實際應用的先進控制方法之一，但是在目前的應用中存在以下三個難題工程技術人員在應用傳統(tǒng)手動整定控制器時無法知道如何有效快速的調(diào)節(jié)控制器參數(shù)以達到系統(tǒng)性能和魯棒性之間的折中，如何調(diào)節(jié)和提高工業(yè)控制過程中的魯棒穩(wěn)定性和標稱輸出響應也是當前的控制難題，如何有效的將內(nèi)?？刂萍夹g應用于大時滯系統(tǒng)一直都沒有得到徹底的解決。
應該指出的是，由于目前絕大部分研究集中在參數(shù)估計和收斂性分析方面，忽略了辨識方法中的測試信號設計，而測試實驗以及模型有效性驗證部分的研究，這些正是與實際應用結合最緊密的方面。測試信號必須能夠充分激勵系統(tǒng)的動力學特性，尤其是控制系統(tǒng)分析和設計所關心的動態(tài)特性，這是保證辨識結果有效性的關鍵因素。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，strm，K.J.，和Hgglund，T.在1984年最早提出了繼電反饋辨識的方法，該方法作用于系統(tǒng)的閉環(huán)回路，快速準確地獲取過程臨界信息，從而設計PID控制器。自1984年提出以后，許多改進和擴展方法被相繼提出來，針對不穩(wěn)定對象，Wang.Q.G.在文獻Low-ordermodeling from relay feedback，(Ind.Eng.Chem.Res.1997，36(2)，375-381.)(基于繼電反饋的低階建模方法，發(fā)表在Industrial & EngineeringChemistry Research，化工工業(yè)與工程研究)，中首次應用帶偏置繼電器獲得更為精確的辨識結果，無需任何有關時滯和靜態(tài)增益的先驗信息，而且利用單次辨識實驗就能便捷地獲取更多系統(tǒng)特性。本發(fā)明將繼電反饋技術和IMC控制器設計方法相結合，設計控制模塊在很大程度上緩解了IMC控制器應用中的三個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法，使其基于快速有效的繼電反饋辨識技術實現(xiàn)控制器在線自整定，能在不重新設計控制器的情況下，自動處理實際控制對象的不確定性實時更新設置控制器參數(shù)，并成功的應用于大時滯系統(tǒng)，達到較為滿意的控制效果。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明在現(xiàn)有的電子控制設備和工控計算機中直接運行和實施，首先通過操作臺控制系統(tǒng)界面選擇“自動運行狀態(tài)”，進入此過程后，具體步驟如下步驟一采用工業(yè)工程中常用的一階加純滯后模型G(s)=Ke-θsτs+1]]>其中三個待辨識參數(shù)k是系統(tǒng)靜態(tài)增益；θ是系統(tǒng)時滯；τ是系統(tǒng)時間常數(shù)。
步驟二上位機控制輸出控制臺控制扳鍵使系統(tǒng)運行在“辨識階段”。此時，繼電辨識環(huán)節(jié)被切換入閉環(huán)系統(tǒng)。
步驟三在繼電環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)運行開始后在短時間內(nèi)建立起極限環(huán)。
通過對系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定振蕩極限環(huán)的監(jiān)測模塊，單次繼電反饋所產(chǎn)生極限環(huán)的各輸出參數(shù)Au、Ad、Tu1和Tu2被記錄在RAM存儲器中。
步驟四根據(jù)對繼電器輸出各參數(shù)的實時測量，根據(jù)下述偏壓繼電反饋辨識公式k=∫0Tu1+Tu2y(t)dt∫0Tu1+Tu2u(t)dt---(1)]]>θ=ln(u0+u)K-ϵ(u0+u)K-Au---(2)]]>τ=Tu1(ln2uKeθ+u0K-uK+ϵuK+u0K-ϵ)-1---(3)]]>計算出系統(tǒng)待辨識的三個參數(shù)K、θ和τ，并存入RAM中。
步驟五根據(jù)已辨識出的模型參數(shù)計算新型內(nèi)模控制器的各參數(shù)，計算結果存入RAM存儲單元中。
A.辨識出的連續(xù)模型參數(shù)做離散化處理，例如選用零階保持器，得到系統(tǒng)傳函HGm(z)=L{1-e-TsssGp(s)}---(4)]]>B.根據(jù)離散系統(tǒng)傳函性質(zhì)計算出G+(z)，G+(z)定義如下G+(z)=z-(l+1)Πi=1p(z-ziz-z^i)(1-z^i1-zi)---(5)]]>其中l(wèi)表示滯后拍數(shù)，l+1考慮零階，p表示單位園外的極點數(shù)，zi表示單位園外的零點數(shù)，z^i=1/zi]]>(i＝0，1，2...)C.因式分解系統(tǒng)傳函，如下Gm(z)＝G+(z)G-(z) (6)D.設計內(nèi)?？刂破鳎缦翯c(z)=1G-(z)---(7)]]>E.設計系統(tǒng)濾波器，如下Gf(z)=1-α1-αz-1---(8)]]>步驟六通過辨識所得的模型和內(nèi)?？刂破鲄?shù)送入實際生產(chǎn)過程相對應各環(huán)節(jié)中。然后，系統(tǒng)進入“運行階段”。此階段中，輸出監(jiān)控模塊一直處于工作狀態(tài)，實時檢測系統(tǒng)的輸出，無論是系統(tǒng)失配或攝動，還是不確定擾動的干擾使系統(tǒng)輸出較遠的偏離標稱值時，系統(tǒng)自動切換進入“辨識階段”以及時更新生產(chǎn)過程中的各參數(shù)。
以上各式中k-系統(tǒng)靜態(tài)增益，θ-系統(tǒng)時滯，τ-系統(tǒng)時間常數(shù)，Ad-對象輸出振蕩曲線的正峰值，Au-對象輸出振蕩曲線的負峰值，Tu1-對象輸入信號中高電平維持時間，Tu2-對象輸入信號中低電平維持時間，ε-繼電器時滯常數(shù)，u0-繼電器電壓輸出，u-繼電器輸出電壓偏置y(t)-對象輸出函數(shù)解析式，u(t)-繼電器輸出函數(shù)解析式，Ts-離散控制系統(tǒng)采樣時間，α-濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)，Gp(s)-模型傳遞函數(shù)，HGm(s)-包含零階保持器的對象離散傳遞函數(shù)，G+(s)-模型內(nèi)函數(shù)傳遞函數(shù)，G-(s)-模型外函數(shù)傳遞函數(shù)，Gc(s)-新型內(nèi)?？刂破鱾鬟f函數(shù)，Gf(s)-系統(tǒng)濾波器傳遞函數(shù)。
本發(fā)明在現(xiàn)有的內(nèi)模控制器設計方法上，加入智能繼電反饋模塊。利用繼電反饋技術能夠以閉環(huán)可控的方式提取系統(tǒng)的頻域信息的優(yōu)勢，實現(xiàn)了數(shù)字內(nèi)?？刂破鞯淖哉?。這樣大大方便了工業(yè)現(xiàn)場的應用，同時，最終內(nèi)?？刂破髟O計為數(shù)字控制器應用在離散域中，控制器通過編程來完成，更進一步降低了硬件成本并提高了系統(tǒng)的靈活性，可靠性和準確性。
本發(fā)明通過編制相應的控制模塊，實現(xiàn)對繼電辨識的智能控制，從而在現(xiàn)有的工控系統(tǒng)中可以直接實施，實現(xiàn)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的自整定。例如在現(xiàn)場應用的啟動初始階段通過繼電反饋技術在閉環(huán)中快速準確的辨識出系統(tǒng)模型參數(shù)，從而設定內(nèi)?？刂破鞯母鲄?shù)，使系統(tǒng)迅速進入控制運行的階段。在運行過程中如果出現(xiàn)模型過大的失配，系統(tǒng)可以及時切換到辨識狀態(tài)，在短時間內(nèi)跟蹤校正各模型和控制器的參數(shù)。此方法一個突出優(yōu)點是繼電辨識過程處于閉環(huán)中，所以即使在短時間的辨識過程中，工業(yè)生產(chǎn)過程仍然可以繼續(xù)，不會因為辨識需要而切斷控制回路影響正常生產(chǎn)。
本發(fā)明的另一個突出優(yōu)點是快速有效的繼電閉環(huán)辨識的應用彌補了內(nèi)模控制器設計過分依賴模型準確性的限制。由于繼電反饋快速辨識的巧妙加入，新型內(nèi)?？刂破骺梢詫崿F(xiàn)對輸入或模型時變的動態(tài)跟蹤，從而從根本上克服了內(nèi)?？刂破髟O計中對模型失配和攝動過于敏感的問題。另外，濾波器環(huán)節(jié)的應用也改善了系統(tǒng)的魯棒性，可以調(diào)節(jié)濾波器方便的在標稱性能和魯棒性之間進行折中。
本發(fā)明中的控制方法還結合繼電反饋的應用，對經(jīng)典內(nèi)?？刂扑惴ㄗ龀隽烁倪M，從而有效的解決了內(nèi)?？刂平Y構對大純滯后環(huán)節(jié)的失控問題。
總上，本發(fā)明從根本上解決了經(jīng)典內(nèi)模控制器在應用中的遇到的三大難題如何實現(xiàn)自整定，如何解決內(nèi)模控制對系統(tǒng)模型的精確性要求過高，如何控制帶有大滯后環(huán)節(jié)的工業(yè)對象。同時，經(jīng)典內(nèi)?？刂平Y構的優(yōu)勢在本發(fā)明中也得到了充分的發(fā)揮。


圖1表示偏壓繼電實驗中極限環(huán)各參數(shù)測定。
圖2表示本發(fā)明應用在生產(chǎn)過程中的控制框圖。
圖3是本發(fā)明方法流程圖。
圖4是本發(fā)明實施例采用的硬件結構圖。
圖5為針對一個化工實例實施的效果圖例，圖5(a)示出了本發(fā)明應用模型攝動20％后，在大純滯后對象的控制效果；圖5(b)顯示出在模型攝動分別到達±20％時，本發(fā)明方法的應用情況。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
如圖1所示，表示在偏壓繼電器作用下，待辨識對象輸入信號是圖示周期方波，相應的輸出周期信號。
如圖2所示，表示本發(fā)明應用在生產(chǎn)過程中的控制框圖，根據(jù)兩個扳鍵的開合情況，控制系統(tǒng)運行。
如圖3所示，是本發(fā)明方法流程圖，整個系統(tǒng)按照此流程運行。
如圖4所示，系統(tǒng)主要由操作控制臺，上位機，輸出控制臺和輸出監(jiān)測模塊構成。操作控制平臺是用戶界面，在此工程技術人員可以選擇手動或自動模式，同時，系統(tǒng)運行的實時輸出響應可以顯示，記錄或打印。為了方便技術人員管理，操作臺還設有報警裝置。上位機與時鐘信號相配合，控制采樣輸入和數(shù)據(jù)更新的頻率。輸出控制臺接受上位機的控制命令來控制系統(tǒng)運行中兩個扳鍵切換系統(tǒng)兩種狀態(tài)。輸出監(jiān)測模塊始終對系統(tǒng)實時輸出進行檢測，并將信息離散化后輸入上位機，由上位機既定算法程序及時判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)和是否需要切換狀態(tài)更新數(shù)據(jù)。
圖5為針對一個化工實例實施的效果圖例。
其中，圖5(a)示出了本發(fā)明應用模型攝動20％后，在大純滯后對象的控制效果。本發(fā)明給出的新型內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法(實線)以及傳統(tǒng)的Cohen-Coon自整定方法(點線)相比較。無論是動態(tài)響應的快速性，穩(wěn)定性和靜態(tài)誤差等多個指標都顯示出了優(yōu)越性。還需要指出的是在同等條件下，經(jīng)典的Ziegler-Nichols PID自整定方法和改進的Ziegler-Nichols(RZN)PID自整定方法都已失效。圖5(b)顯示出在模型攝動分別到達±20％時，本發(fā)明方法的應用情況。可以看出由于攝動對系統(tǒng)的影響可以反應在輸出響應中，由輸出監(jiān)測模塊分辯，此時的輸出響應可以做為系統(tǒng)切換的判斷依據(jù)。實驗還進一步推廣到其他模型失配，不確定干擾等因素的影響，結果證明都可以應用本發(fā)明方法及時校正。
實施例子對一個廣泛研究采用的化工大時滯生產(chǎn)過程G(s)=e-20ss+1]]>應用本發(fā)明給出的控制方法步驟。
第一步采用一階加純滯環(huán)模型G(s)=Ke-θsτs+1,]]>其中三個待辨識參數(shù)K是系統(tǒng)靜態(tài)增益；θ是系統(tǒng)時滯；τ是系統(tǒng)時間常數(shù)。
第二步通過操作臺控制系統(tǒng)選擇進入“自動運行階段”，控制上位機控制輸出控制臺控制扳鍵使系統(tǒng)運行在“辨識階段”，此時，繼電辨識環(huán)節(jié)被切換入閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出建立極限環(huán)。
第三步系統(tǒng)檢測模塊對系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定振蕩極限環(huán)的在線測量，單次繼電反饋實驗所產(chǎn)生極限環(huán)的各輸出信息Au、Ad、Tu1和Tu2被記錄在RAM存儲器中。
第四步根據(jù)公式(1)(2)(3)，計算出系統(tǒng)待辨識的三個參數(shù)k＝1，τ＝1.042和θ＝20，存入RAM中。
第五步根據(jù)已辨識出的模型參數(shù)計算新型內(nèi)?？刂破鞯母鲄?shù)，計算結果存入RAM存儲單元中。辨識出的連續(xù)模型參數(shù)做離散化處理，例如選用零階保持器，根據(jù)公式(4)得到系統(tǒng)傳函，再根據(jù)公式(5)計算出G+(z)。根據(jù)(6)因式分解系統(tǒng)傳函，然后根據(jù)公式(7)設計內(nèi)?？刂破?最后根據(jù)公式(8)設計濾波器Gf(z)=0.11-0.9z-1.]]>第六步將辨識所得的模型和內(nèi)模控制器參數(shù)送入實際生產(chǎn)過程相對應各環(huán)節(jié)中?？刂葡到y(tǒng)進入“運行階段”。此階段中，輸出監(jiān)控模塊一直處于工作狀態(tài)，實時檢測系統(tǒng)的輸出，無論是系統(tǒng)失配或攝動，還是不確定擾動的干擾使系統(tǒng)輸出較遠的偏離標稱值時，系統(tǒng)自動切換進入“辨識階段”以及時更新生產(chǎn)過程中的各參數(shù)。
在工業(yè)控制現(xiàn)場采用本發(fā)明提出的新型內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法，最大的特點即使具有智能性，能對系統(tǒng)的標稱性能和魯棒性做在線跟蹤，從而有效的實現(xiàn)自整定。同時，對大純滯后對象能同樣實施有效控制。用戶操作起來更簡便直觀；控制效果更快速平穩(wěn)，能達到更好的系統(tǒng)性能。采取本發(fā)明控制方法的工控系統(tǒng)可廣泛應用于能源、冶金、石化、輕工、醫(yī)藥、建材、紡織等行業(yè)中各類企業(yè)的生產(chǎn)過程控制。
權利要求
1.一種內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一采用一階加純滯后模型G(s)=Ke-θsτs+1]]>其中三個待辨識參數(shù)K是系統(tǒng)靜態(tài)增益；θ是系統(tǒng)時滯；τ是系統(tǒng)時間常數(shù)；步驟二上位機控制輸出控制臺控制扳鍵使系統(tǒng)運行在“辨識階段”，此時，繼電辨識環(huán)節(jié)被切換入閉環(huán)系統(tǒng)；步驟三在繼電環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)運行開始后在短時間內(nèi)建立起極限環(huán)；步驟四根據(jù)對繼電器輸出各參數(shù)的實時測量，根據(jù)偏壓繼電反饋辨識公式計算出系統(tǒng)待辨識的三個參數(shù)K、θ和τ，并存入RAM中；步驟五根據(jù)已辨識出的模型參數(shù)計算新型內(nèi)?？刂破鞯母鲄?shù)，計算結果存入RAM存儲單元中；步驟六通過辨識所得的模型和內(nèi)模控制器參數(shù)送入實際生產(chǎn)過程相對應各環(huán)節(jié)中，然后，系統(tǒng)進入“運行階段”，此階段中，輸出監(jiān)控模塊一直處于工作狀態(tài)，實時檢測系統(tǒng)的輸出，無論是系統(tǒng)失配或攝動，還是不確定擾動的干擾使系統(tǒng)輸出較遠的偏離標稱值時，系統(tǒng)自動切換進入“辨識階段”以及時更新生產(chǎn)過程中的各參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法，其特征是所述的步驟三，通過對系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定振蕩極限環(huán)的監(jiān)測模塊，通過對系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定振蕩極限環(huán)的監(jiān)測模塊，單次繼電反饋所產(chǎn)生極限環(huán)的各輸出參數(shù)Au、Ad、Tu1和Tu2被記錄在RAM存儲器中。
3.根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法，其特征是所述的步驟五，根據(jù)已辨識出的模型參數(shù)計算新型內(nèi)模控制器的各參數(shù)，具體如下A.辨識出的連續(xù)模型參數(shù)做離散化處理，得到系統(tǒng)傳函HGm(z)=L{1-e-TsssGp(s)}]]>B.根據(jù)離散系統(tǒng)傳函性質(zhì)計算出G+(z)，G+(z)定義如下G+(z)=z-(l+1)Πi=1p(z-ziz-z^i)(1-z^i1-zi)]]>其中l(wèi)表示滯后拍數(shù)，l+1考慮零階，p表示單位園外的極點數(shù)，zi表示單位園外的零點數(shù)，z^i=1/zi]]>(i＝0，1，2…)C.因式分解系統(tǒng)傳函Gm(z)＝G+(z)G-(z)D.設計內(nèi)?？刂破鱃c(z)=1G-(z)]]>E.設計系統(tǒng)濾波器Gf(z)=1-α1-αz-1.]]>
全文摘要
一種工業(yè)過程控制技術領域的內(nèi)模自整定數(shù)字控制器的設計方法。本發(fā)明采用一階加純滯后模型；上位機控制輸出控制臺控制扳鍵使系統(tǒng)運行在“辨識階段”，此時，繼電辨識環(huán)節(jié)被切換入閉環(huán)系統(tǒng)；在繼電環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)運行開始后在短時間內(nèi)建立起極限環(huán)；根據(jù)對繼電器輸出各參數(shù)的實時測量，根據(jù)偏壓繼電反饋辨識公式計算出系統(tǒng)待辨識的三個參數(shù)K、θ和τ，并存入RAM中；根據(jù)已辨識出的模型參數(shù)計算新型內(nèi)?？刂破鞯母鲄?shù)，計算結果存入RAM存儲單元中；通過辨識所得的模型和內(nèi)?？刂破鲄?shù)送入實際生產(chǎn)過程相對應各環(huán)節(jié)中。本發(fā)明實現(xiàn)了數(shù)字內(nèi)模控制器的自整定，降低了硬件成本并提高了系統(tǒng)的靈活性，可靠性和準確性。
文檔編號G05B13/04GK1851572SQ200610026679
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權日2006年5月18日
發(fā)明者王萍, 張衛(wèi)東, 顧誕英, 趙青, 王倫 申請人:上海交通大學