專利名稱：一種雙環(huán)加權(quán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，適用于被控對(duì)象含有大遲延、參數(shù)時(shí)變或不確定性的情況。
背景技術(shù)：
遲延，參數(shù)時(shí)變，不確定性在工業(yè)過程中常見且難以控制。通常，控制對(duì)象的不確定性包括不可預(yù)測(cè)的參數(shù)時(shí)變和不可預(yù)料的參數(shù)時(shí)變。對(duì)于這些過程，獲得其精確地模型是非常困難的。在這種情況下，一般的的控制器和控制結(jié)構(gòu)很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。同樣，基于不精確模型的設(shè)計(jì)的控制器和一般的控制結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中往往起不到很好的控制效果。為解決這些問題，人們提出了很多控制方法。最常見的控制方法就是自適應(yīng)控制， 該方法首先確定控制器的結(jié)構(gòu)，通過不斷地遞歸估計(jì)被控對(duì)象的參數(shù)來更新控制器參數(shù)。 再就是遲延控制，該方法更關(guān)注的是其實(shí)用性而不是像自適應(yīng)控制那樣關(guān)注怎樣校正控制的參數(shù)。除此之外，還有學(xué)習(xí)控制，延遲觀測(cè)器等方法。但是這些方法的理論相對(duì)復(fù)雜，所以在實(shí)際應(yīng)用中就難以被工程人員理解和接受。最重要的是這些方法著眼于控制器的設(shè)計(jì)， 而不是控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)然也有一些著眼于改進(jìn)控制方法的努力，針對(duì)遲延問題最常見的控制結(jié)構(gòu)就是 Smith預(yù)估器。其對(duì)于穩(wěn)定的含有大遲延的控制對(duì)象能夠有效的對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。以此為基礎(chǔ)，有許多針對(duì)Smith預(yù)估器的改進(jìn)，但是仍然沒有改變Smith預(yù)估器對(duì)模型精度的強(qiáng)依賴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述缺陷公開了一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，它包括以下步驟1)將系統(tǒng)輸入r分別輸入至前置環(huán)和設(shè)定值模塊中；2)輸入至前置環(huán)的系統(tǒng)輸入r減去前置環(huán)輸出少，得到前置環(huán)中間值a ；3)將前置環(huán)中間值a輸入至虛擬控制器中，經(jīng)虛擬控制器運(yùn)算后得到前置環(huán)控制量b ；4)前置環(huán)控制量b驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象模型并得到前置環(huán)輸出少；5)前置環(huán)輸出少分為兩路，一路作為反饋重復(fù)步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權(quán)模塊，在第一反饋加權(quán)模塊進(jìn)行運(yùn)算后得到后置環(huán)第二輸入值d ；6)系統(tǒng)輸入r經(jīng)設(shè)定值模塊運(yùn)算后得到后置環(huán)第一輸入值C ；7)后置環(huán)第一輸入值c減去后置環(huán)第二輸入值d后，再減去后置環(huán)反饋值f，得到后置環(huán)中間值g;8)將后置環(huán)中間值g輸入至靜態(tài)匹配模塊中，經(jīng)靜態(tài)匹配模塊運(yùn)算后得到控制誤
差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經(jīng)控制器運(yùn)算后得到后置環(huán)控制量h;
10)后置環(huán)控制量h驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象并得到后置環(huán)輸出y ；11)將后置環(huán)輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權(quán)模塊中，經(jīng)第二反饋加權(quán)模塊
運(yùn)算得到后置環(huán)反饋值f，返回步驟7)。在第一反饋加權(quán)模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算= d . L1為第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。在設(shè)定值模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算rXk = c, k為設(shè)定值模塊系數(shù)。在靜態(tài)匹配模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算gX (1/k) = e, 1/k為靜態(tài)匹配模塊系數(shù)。在第二反饋加權(quán)模塊進(jìn)行如下運(yùn)算yXL2 = f，L2為第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。所述第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L1與第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L2之和等于設(shè)定值模塊系數(shù)k。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單、易于理解和便于應(yīng)用的控制方法來達(dá)到較為理想的控制效果。同時(shí)，本發(fā)明對(duì)被控對(duì)象的精度要求不高，從而有效地降低了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)的代價(jià)。本發(fā)明著眼于控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅使得針對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)方法能夠在該結(jié)構(gòu)中繼續(xù)發(fā)揮作用，而且能使得如Smith預(yù)估器、內(nèi)?？刂频葐苇h(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升其控制性能。


圖1理想控制結(jié)構(gòu)示意圖；圖2典型控制結(jié)構(gòu)示意圖；圖3雙環(huán)加權(quán)控制結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明如圖1所示，基于理想控制結(jié)構(gòu)的控制方法包括以下步驟1)系統(tǒng)輸入r減去理想系統(tǒng)輸出J得到理想系統(tǒng)控制誤差F ；2)將理想系統(tǒng)控制誤差^輸入至控制器，經(jīng)控制器運(yùn)算得到理想控制量hi ；3)理想控制量hi驅(qū)動(dòng)理想被控對(duì)象并得到理想系統(tǒng)輸出J ；4)返回步驟1)。如圖2所示，基于典型控制結(jié)構(gòu)的控制方法包括以下步驟1)系統(tǒng)輸入r減去典型系統(tǒng)輸出夕得到典型系統(tǒng)控制誤差 ；2)將典型系統(tǒng)控制誤差 輸入至控制器，經(jīng)控制器運(yùn)算得到典型控制量h2 ；3)典型控制量h2驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象并得到典型系統(tǒng)輸出夕；4)返回步驟1)。對(duì)于實(shí)際的控制對(duì)象進(jìn)行控制如圖2所示，此時(shí)的由于對(duì)被控對(duì)象認(rèn)識(shí)不全面， 存在著未知部分△(遲延、時(shí)變或不確定性)，使得控制系統(tǒng)效果難以達(dá)到如圖1(完全消除Δ的影響時(shí))所示的控制效果。也就是說圖2的控制結(jié)構(gòu)就決定了其很難有效地消除或者減弱未知部分對(duì)控制的影響。以延遲為例，延遲對(duì)控制的影響主要由兩方面的影響，首先系統(tǒng)的控制作用經(jīng)過一定的延遲后才能真正作用于被控對(duì)象或者作用于被控對(duì)象經(jīng)過一定的延遲后其作用才顯現(xiàn)出來；其次，其反饋回來的被控量信息(典型系統(tǒng)輸出刃是滯后的信息，使得控制器只能基于當(dāng)前的設(shè)定值(系統(tǒng)輸入r)和滯后的被控量信息(典型系統(tǒng)輸出iO相減得到的準(zhǔn)誤差(典型系統(tǒng)控制誤差 )進(jìn)行控制。要克服大遲延的問題，就是要使的準(zhǔn)誤差盡可能的接近實(shí)際的誤差，越是如此越能克服延遲對(duì)控制品質(zhì)的影響。同樣對(duì)于其它的參數(shù)時(shí)變，及不確定性可以進(jìn)行類似的分析。據(jù)此，預(yù)估一個(gè)被控量和實(shí)際的反饋量加權(quán)作為沖量，然后與設(shè)定值做差得到一新的準(zhǔn)誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而減弱被控對(duì)象的未知部分Δ對(duì)控制的影響。圖2所示的結(jié)構(gòu)難以消除△對(duì)控制的影響原因不在于其控制器，更在于其控制結(jié)構(gòu)。在圖2中系統(tǒng)的輸出時(shí)受到被控對(duì)象中△的影響，然后又將典型系統(tǒng)控制誤差 作為控制器的輸入。這樣控制的問題就在于由于△的存在使得典型系統(tǒng)控制誤差 含有其未知部分的影響，這本來是好事，使其不利于達(dá)到圖1所示的效果。原因就是控制器的設(shè)計(jì)是基于為被控對(duì)象的已知特性設(shè)計(jì)的，但此時(shí)其輸入中含有太多的未知成分使其難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。如圖3所示，一種雙環(huán)加權(quán)控制方法包括以下步驟1)將系統(tǒng)輸入r分別輸入至前置環(huán)和設(shè)定值模塊中；2)輸入至前置環(huán)的系統(tǒng)輸入r減去前置環(huán)輸出少，得到前置環(huán)中間值a ；3)將前置環(huán)中間值a輸入至虛擬控制器中，經(jīng)虛擬控制器運(yùn)算后得到前置環(huán)控制量b ；4)前置環(huán)控制量b驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象模型并得到前置環(huán)輸出少；5)前置環(huán)輸出少分為兩路，一路作為反饋重復(fù)步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權(quán)模塊，在第一反饋加權(quán)模塊進(jìn)行運(yùn)算后得到后置環(huán)第二輸入值d ；6)系統(tǒng)輸入r經(jīng)設(shè)定值模塊運(yùn)算后得到后置環(huán)第一輸入值c ；7)后置環(huán)第一輸入值c減去后置環(huán)第二輸入值d后，再減去后置環(huán)反饋值f，得到后置環(huán)中間值g;8)將后置環(huán)中間值g輸入至靜態(tài)匹配模塊中，經(jīng)靜態(tài)匹配模塊運(yùn)算后得到控制誤
差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經(jīng)控制器運(yùn)算后得到后置環(huán)控制量h ；10)后置環(huán)控制量h驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象并得到后置環(huán)輸出y ；11)將后置環(huán)輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權(quán)模塊中，經(jīng)第二反饋加權(quán)模塊運(yùn)算得到后置環(huán)反饋值f，返回步驟7)。在第一反饋加權(quán)模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算^XL1 = d 為第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。在設(shè)定值模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算rXk = c, k為設(shè)定值模塊系數(shù)。在靜態(tài)匹配模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算gX (1/k) = e, 1/k為靜態(tài)匹配模塊系數(shù)。在第二反饋加權(quán)模塊進(jìn)行如下運(yùn)算yXL2 = f，L2為第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。本發(fā)明的主要特征是有兩個(gè)控制回路，第一個(gè)是前置環(huán)(如圖3中1所示的虛線框中部分)，它是由基于辨識(shí)的被控對(duì)象與虛擬控制器構(gòu)成的回路，第二個(gè)回路是后置環(huán)(如圖3中2所示的虛線框中部分)，它是由控制器、被控對(duì)象、第二反饋加權(quán)模塊和靜態(tài)匹配模塊構(gòu)成的閉環(huán)；兩個(gè)回路的輸出進(jìn)行加權(quán)作為后置環(huán)的沖量；前置環(huán)中的被控對(duì)象模型不必要求很精確；如果設(shè)定值模塊k不為1，則后置回路中必須有靜態(tài)匹配模塊；為保證系統(tǒng)靜態(tài)平衡，必須保證第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L1與第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L2之和等于設(shè)定值模塊系數(shù)k。加權(quán)系數(shù)的選擇還要結(jié)合其抗擾性能和前置環(huán)與后置環(huán)性能的對(duì)比做出權(quán)衡。當(dāng)單獨(dú)采用后置回路較單獨(dú)采用前置環(huán)控制效果好時(shí)，加權(quán)系數(shù)L2應(yīng)大于Lp反之則取加權(quán)系數(shù)L2應(yīng)小于Lp當(dāng)然系數(shù)的選擇是一個(gè)綜合權(quán)衡的過程。本發(fā)明通過引入前置環(huán)，很好地利用了現(xiàn)有的被控對(duì)象模型，以該已知的模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前置環(huán)。就前置環(huán)而言，由于其被控對(duì)象模型完全已知，所以實(shí)現(xiàn)其理想的控制是容易的。也就是此時(shí)前置環(huán)輸出少是理想的，不受實(shí)際被控對(duì)象中Δ的影響。故在圖3中后置環(huán)的沖量為，其控制誤差為r_(A柃盡力/A，由于L^L2 = k，故此時(shí)的控制
誤差e為力。將此時(shí)的控制誤差e與圖2中的典型系統(tǒng)控制誤差 相比，易得e更接近于圖1中的F。同理可得，本發(fā)明中的y較圖2中的夕更接近于圖1中的歹。當(dāng)然，通過仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明中的前置環(huán)，實(shí)際就是圖1理想的控制結(jié)構(gòu)。 據(jù)此，就可以直觀的理解為什么本發(fā)明中的y較圖2中的夕更接近于圖1中的y。但是兩者也是不同的，不同在于，圖1是假想的基于現(xiàn)有模型可達(dá)的理想控制效果，但是在實(shí)際中由于對(duì)象必然含有未知，也就是說實(shí)際控制結(jié)構(gòu)只能是圖2那樣。換句話說，希望圖2的輸出夕能等于圖ι中的y。而在本發(fā)明的前置環(huán)中是要實(shí)現(xiàn)理想輸出來作為沖量的一部分，以抵消一部分建模未知部分對(duì)控制的影響。前置環(huán)的結(jié)構(gòu)是靈活的，可以使用自動(dòng)控制領(lǐng)域的一般單回路，內(nèi)模結(jié)構(gòu)，串級(jí)， 前饋加反饋等各種控制結(jié)構(gòu)，甚至可以只要一個(gè)等效環(huán)節(jié)。同樣，前置環(huán)的實(shí)現(xiàn)方式是寬松，可以采用軟件或者組態(tài)的形式實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于其中的控制器可以采用 PID，模糊控制器，自適應(yīng)控制器等各種常見的或智能的控制器。前置環(huán)中的被控制對(duì)象是對(duì)實(shí)際被控對(duì)象的辨識(shí)，其最大的優(yōu)勢(shì)就是不必特別的精確?？傊摬糠值挠懻摱际墙⒈ＷC前置環(huán)的輸出少能夠盡可能的實(shí)現(xiàn)圖1中所示少的效果。同樣，對(duì)于后置環(huán)只要能夠有效地實(shí)施控制，可以使用自適應(yīng)控制，延遲控制，學(xué)習(xí)控制等算法，也可以采用Smith預(yù)估器，內(nèi)?？刂频瓤刂平Y(jié)構(gòu)。也就是說只要有利于控制，在后置回路中可應(yīng)用控制領(lǐng)域中的各種控制算法，各種控制器，各種控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)然從另一方面講可以軟實(shí)現(xiàn)也可硬實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可以應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域各種控制系統(tǒng)中，尤其是對(duì)含有大遲延，參數(shù)時(shí)變，模型不確定性的對(duì)象。
權(quán)利要求
1.一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，它包括以下步驟1)將系統(tǒng)輸入r分別輸入至前置環(huán)和設(shè)定值模塊中；2)輸入至前置環(huán)的系統(tǒng)輸入r減去前置環(huán)輸出少，得到前置環(huán)中間值a；3)將前置環(huán)中間值a輸入至虛擬控制器中，經(jīng)虛擬控制器運(yùn)算后得到前置環(huán)控制量b；4)前置環(huán)控制量b驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象模型并得到前置環(huán)輸出少；5)前置環(huán)輸出少分為兩路，一路作為反饋重復(fù)步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權(quán)模塊，在第一反饋加權(quán)模塊進(jìn)行運(yùn)算后得到后置環(huán)第二輸入值d ；6)系統(tǒng)輸入r經(jīng)設(shè)定值模塊運(yùn)算后得到后置環(huán)第一輸入值c；7)后置環(huán)第一輸入值c減去后置環(huán)第二輸入值d后，再減去后置環(huán)反饋值f，得到后置環(huán)中間值g ；8)將后置環(huán)中間值g輸入至靜態(tài)匹配模塊中，經(jīng)靜態(tài)匹配模塊運(yùn)算后得到控制誤差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經(jīng)控制器運(yùn)算后得到后置環(huán)控制量h；10)后置環(huán)控制量h驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象并得到后置環(huán)輸出y；11)將后置環(huán)輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權(quán)模塊中，經(jīng)第二反饋加權(quán)模塊運(yùn)算得到后置環(huán)反饋值f，返回步驟7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，在第一反饋加權(quán)模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算^< Li = d ; L1為第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，在設(shè)定值模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算rXk = c, k為設(shè)定值模塊系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，在靜態(tài)匹配模塊中進(jìn)行如下運(yùn)算gX (1/k) = e, 1/k為靜態(tài)匹配模塊系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，在第二反饋加權(quán)模塊進(jìn)行如下運(yùn)算yXL2 = f，L2為第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法，其特征在于，所述第一反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L1與第二反饋加權(quán)模塊的加權(quán)系數(shù)L2之和等于設(shè)定值模塊系數(shù)k。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域的一種雙環(huán)加權(quán)控制方法。本發(fā)明通過引入前置環(huán)，很好地利用了現(xiàn)有的被控對(duì)象模型，以該已知的模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前置環(huán)。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單、易于理解和便于應(yīng)用的控制方法來達(dá)到較為理想的控制效果。同時(shí)，本發(fā)明對(duì)被控對(duì)象的精度要求不高，從而有效地降低了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)的代價(jià)。本發(fā)明著眼于控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅使得針對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)方法能夠在該結(jié)構(gòu)中繼續(xù)發(fā)揮作用，而且能使得如Smith預(yù)估器、內(nèi)模控制等單環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升其控制性能。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102566430SQ20121000742
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者劉吉臻, 孟慶偉, 房方 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)