基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，包括有以下步驟：獲取該系統(tǒng)的正、反輸入和正、反輸入?yún)?shù)；將正、反輸入?yún)?shù)合成為單輸入?yún)?shù)；利用廣義預(yù)測(cè)控制算法以及單輸入?yún)?shù)對(duì)正、反輸入進(jìn)行處理，從而得到單輸入；根據(jù)正、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系以及正、反輸入的時(shí)滯計(jì)算出正反輸入系統(tǒng)的預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入，進(jìn)而對(duì)正反輸入系統(tǒng)進(jìn)行控制。本發(fā)明通過(guò)將正、反輸入?yún)?shù)合成為單輸入?yún)?shù)，利用GPC算法以及正反輸入的時(shí)滯特性進(jìn)行計(jì)算，將控制過(guò)程反映到單一的輸入?yún)?shù)上，從而實(shí)現(xiàn)高精確度，且減少控制過(guò)程中的能量或材料的消耗。本發(fā)明作為一種基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。
【專利說(shuō)明】基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)控制方法，尤其是基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]正反輸入系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)控制中，是指在一個(gè)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)相悖的輸入信號(hào)，正輸入系統(tǒng)使輸出產(chǎn)生正效應(yīng)，負(fù)輸入系統(tǒng)使輸出產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。這種系統(tǒng)的存在是因?yàn)橛行r(shí)候控制器需要正輸入來(lái)獲得想要的結(jié)果，但是有時(shí)候需要負(fù)輸入來(lái)移除多余的
倉(cāng)tfi。
[0003]目前大部分技術(shù)，主要還是局限于將兩個(gè)正反輸入變量來(lái)分開(kāi)考慮，即使整體放一起考慮也沒(méi)有考慮到不同的輸入變量的特性。針對(duì)正反輸入系統(tǒng)的控制，主要有兩類，一類是為正反兩個(gè)輸入設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的控制器單獨(dú)控制，典型的有:雙PID控制，針對(duì)兩個(gè)不同的控制系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)一套PID控制器來(lái)進(jìn)行分別的控制。對(duì)于雙PID控制，在一定的條件下，能獲取比較好的控制結(jié)果。但是由于正反輸入在這種情況下，會(huì)同時(shí)開(kāi)啟，從而照成能源的浪費(fèi)。這主要是因?yàn)檫@些方法沒(méi)有正反兩個(gè)輸入綜合起來(lái)考慮。
[0004]另外一類用于正反輸入系統(tǒng)的方法是分程控制，比如PID型分程控制。這類方法設(shè)計(jì)的控制器把正反輸入歸納為一個(gè)操縱變量，然后設(shè)計(jì)PID控制器來(lái)控制，根據(jù)輸出結(jié)果處于哪個(gè)區(qū)間來(lái)分配控制正輸入還是反輸入。對(duì)于PID型分程控制，這種控制方法由于每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)輸入會(huì)被打開(kāi)，能節(jié)約能源，但由于沒(méi)有考慮到正反輸入對(duì)輸出的響應(yīng)特性是不一樣的，特別是在操縱變量在零附近切換的時(shí)候，得到的控制結(jié)果會(huì)惡化。所以這是一種通過(guò)損害控制性能來(lái)節(jié)能的方法。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，低精度控制是會(huì)損害到產(chǎn)品的質(zhì)量的。比如:在塑料擠出生產(chǎn)過(guò)程中，先對(duì)料筒進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，可以啟動(dòng)電機(jī)，這時(shí)生料會(huì)順著料斗進(jìn)入料筒，在螺桿和料筒的剪切作用下，物料融化并且傳送到擠出機(jī)模頭，并通過(guò)口模成型后，獲得想要的產(chǎn)品。在整個(gè)擠出過(guò)程中，溫度、壓力等過(guò)程變量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，溫度的波動(dòng)會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，對(duì)于一些熱敏性材料，溫度過(guò)高還可能會(huì)造成材料降解，導(dǎo)致廢料的產(chǎn)生，所以精確的溫度控制至關(guān)重要。但是現(xiàn)有的擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)，大部分只是針對(duì)加溫系統(tǒng)來(lái)做研究，并沒(méi)有考慮到冷卻系統(tǒng)的控制。冷卻系統(tǒng)用于帶走螺桿旋轉(zhuǎn)剪切物料時(shí)產(chǎn)生的多余的熱量。近年來(lái)，有一些溫度控制系統(tǒng)考慮到冷卻系統(tǒng)的控制，但是控制結(jié)果不理想，加溫和冷卻會(huì)不斷切換，浪費(fèi)能源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是:提供一種基于正反輸入系統(tǒng)的高精度且節(jié)能效果好的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，包括有以下步驟:
[0007]A、從正反輸入系統(tǒng)的傳感器獲取該系統(tǒng)的正輸入、反輸入、正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)；
[0008]B、將正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)合成為單輸入?yún)?shù)；
[0009]C、利用廣義預(yù)測(cè)控制算法以及單輸入?yún)?shù)對(duì)正輸入和反輸入進(jìn)行處理，從而得到單輸入；
[0010]D、根據(jù)正輸入、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系、正輸入的時(shí)滯和反輸入的時(shí)滯計(jì)算出正反輸入系統(tǒng)的預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入；
[0011]E、根據(jù)預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入對(duì)正反輸入系統(tǒng)進(jìn)行控制。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟A中正輸入?yún)?shù)包括有正輸入時(shí)滯參數(shù)eh、正輸入增益Kh和正輸入時(shí)間常數(shù)Th，所述反輸入?yún)?shù)包括有反輸入時(shí)滯參數(shù)Θ。、反輸入增益K。和反輸入時(shí)間常數(shù)τ。。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟B中單輸入?yún)?shù)包括有單輸入時(shí)滯參數(shù)Θ、單輸入增益K和單輸入時(shí)間常數(shù)τ，所述單輸入?yún)?shù)的計(jì)算公式分別為r =和θ =min ( Θ h, Θ c)。
[0014]進(jìn)一步,所述正輸入、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系為:所述正輸入對(duì)應(yīng)的正輸出與所述反輸入對(duì)應(yīng)的反輸出的總輸出應(yīng)等于單輸入所對(duì)應(yīng)的單輸出。
[0015]進(jìn)一步，所述預(yù)期正輸入和預(yù)期反輸入中至少有一個(gè)的值為零。
[0016]進(jìn)一步，所述正反輸入系統(tǒng)為溫度控制系統(tǒng)，所述正輸入為加溫功率，所述反輸入為冷卻功率。
[0017]進(jìn)一步，所述正反輸入系統(tǒng)為PH中和控制系統(tǒng)，所述正輸入為堿性試劑量，所述反輸入為酸性試劑量。
[0018]進(jìn)一步，所述正反輸入系統(tǒng)為壓力控制系統(tǒng)，所述正輸入為充氣量，所述反輸入為
抽氣量。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)在控制過(guò)程中讀取正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)并將兩者合成為單輸入?yún)?shù)，綜合考慮了正反輸入系統(tǒng)中的正反輸入，然后利用廣義預(yù)測(cè)控制算法以及正反輸入的時(shí)滯特性進(jìn)行計(jì)算，將控制過(guò)程反映到單一的輸入?yún)?shù)上，從而實(shí)現(xiàn)在保障了控制精確度的基礎(chǔ)上減少控制過(guò)程中的能量或材料的消耗。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的方法步驟流程圖；
[0021]圖2雙輸入單輸出系統(tǒng)示意圖；
[0022]圖3為擠出機(jī)簡(jiǎn)圖；
[0023]圖4為本發(fā)明AGPC控制結(jié)果；
[0024]圖5為傳統(tǒng)雙SISO GPC控制結(jié)果；
[0025]圖6為能量消耗比較圖；
[0026]圖7為分程PID控制結(jié)果；
[0027]圖8為AGPC用于料筒溫度控制的控制結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0029]參照?qǐng)D1，基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，包括有以下步驟:
[0030]A、從正反輸入系統(tǒng)的傳感器獲取該系統(tǒng)的正輸入、反輸入、正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)；
[0031]B、將正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)合成為單輸入?yún)?shù)；
[0032]C、利用廣義預(yù)測(cè)控制算法以及單輸入?yún)?shù)對(duì)正輸入和反輸入進(jìn)行處理，從而得到單輸入；
[0033]D、根據(jù)正輸入、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系、正輸入的時(shí)滯和反輸入的時(shí)滯計(jì)算出正反輸入系統(tǒng)的預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入；
[0034]E、根據(jù)預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入對(duì)正反輸入系統(tǒng)進(jìn)行控制。
[0035]以上A-E步驟的處理主要基于三步處理流程:
[0036]第一步，獲取正反輸入系統(tǒng)的正輸入和反輸入，將正輸入和反輸入綜合成單輸入，即將正輸入和反輸入通過(guò)正反輸入系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出視為單輸入通過(guò)正反輸入系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出(能量守恒);
[0037]第二步，利用廣義預(yù)測(cè)控制算法求取單輸入變量； [0038]第三步，根據(jù)能量守恒來(lái)確定用于控制的預(yù)期輸入值。
[0039]以下以溫度控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明本發(fā)明的具體步驟流程。
[0040]第一步，獲取正反輸入系統(tǒng)的正輸入和反輸入，將正輸入和反輸入綜合成單輸入，即將正輸入和反輸入通過(guò)正反輸入系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出視為單輸入通過(guò)正反輸入系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出(能量守恒)。溫度控制的過(guò)程可以用圖2來(lái)表示:Gh代表加溫Uh和溫度y之間的傳遞函數(shù)。同樣地，Gc代表冷卻U。和溫度y之間的傳遞函數(shù)。
[0041]一般來(lái)說(shuō)，溫度過(guò)程可以用下面一階加時(shí)滯的傳遞函數(shù)表示:
KK
[0042]V(S) = —-Ufl(S) + —-U1 (S)(I )
ThS 十 ITrS + I
[0043]下標(biāo)h代表加溫，c代表冷卻，y (S)和u(s)分別代表輸出和輸入變量，Θ , K, τ表示時(shí)滯、增益以及時(shí)間常數(shù)。所述步驟A中正輸入?yún)?shù)包括有正輸入時(shí)滯參數(shù)0h、正輸入增益Kh和正輸入時(shí)間常數(shù)Th，所述反輸入?yún)?shù)包括有反輸入時(shí)滯參數(shù)Θ。、反輸入增益K。和反輸入時(shí)間常數(shù)τ。。公式(I)可離散化為:
[0044]y(t) =r Uh (/ - dh) +「Ur (t - dr)(2)
1 +J 4* Ur^Z
[0045]本發(fā)明中，把正、反兩輸入看成是一個(gè)單輸入:冷卻功率作為負(fù)輸入變量(范圍為-100~O);加溫功率為正輸入變量(范圍為O~100)，所以公式(I)可以化簡(jiǎn)為下面的單輸入單輸出(SISO)模型:
[0046]y(?y):—!!.)(3)

fs +1
[0047]注意到正輸入?yún)?shù){ τ h，Θ h，KJ (即加溫的特性)和反輸入?yún)?shù){ τ。，Θ。，Kj (即冷卻的特性)存在較大差異，在溫度控制這個(gè)單輸入單輸出過(guò)程中，我們把時(shí)間常數(shù)和增益選擇為加溫和冷卻的均值，時(shí)滯則選擇加溫和冷卻中的最小值，即:[0048]
【權(quán)利要求】
1.基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:包括有以下步驟: A、從正反輸入系統(tǒng)的傳感器獲取該系統(tǒng)的正輸入、反輸入、正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)； B、將正輸入?yún)?shù)和反輸入?yún)?shù)合成為單輸入?yún)?shù)； C、利用廣義預(yù)測(cè)控制算法以及單輸入?yún)?shù)對(duì)正輸入和反輸入進(jìn)行處理，從而得到單輸入； D、根據(jù)正輸入、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系、正輸入的時(shí)滯和反輸入的時(shí)滯計(jì)算出正反輸入系統(tǒng)的預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入； E、根據(jù)預(yù)期正輸入或預(yù)期反輸入對(duì)正反輸入系統(tǒng)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述步驟A中正輸入?yún)?shù)包括有正輸入時(shí)滯參數(shù)θh、正輸入增益Kh和正輸入時(shí)間常數(shù)Th，所述反輸入?yún)?shù)包括有反輸入時(shí)滯參數(shù)θc、反輸入增益K。和反輸入時(shí)間常數(shù)τc。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在 于:所述步驟B中單輸入?yún)?shù)包括有單輸入時(shí)滯參數(shù)θ、單輸入增益K和單輸入時(shí)間常數(shù).τ，所述單輸入?yún)?shù)的計(jì)算公式分別為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述正輸入、反輸入和單輸入之間的等價(jià)關(guān)系為:所述正輸入對(duì)應(yīng)的正輸出與所述反輸入對(duì)應(yīng)的反輸出的總輸出應(yīng)等于單輸入所對(duì)應(yīng)的單輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述預(yù)期正輸入和預(yù)期反輸入中至少有一個(gè)的值為零。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述正反輸入系統(tǒng)為溫度控制系統(tǒng)，所述正輸入為加溫功率，所述反輸入為冷卻功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述正反輸入系統(tǒng)為PH中和控制系統(tǒng)，所述正輸入為堿性試劑量，所述反輸入為酸性試劑量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正反輸入系統(tǒng)的分配型廣義預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于:所述正反輸入系統(tǒng)為壓力控制系統(tǒng)，所述正輸入為充氣量，所述反輸入為抽氣量。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103760770SQ201410011349
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】姜芝君, 莫?jiǎng)儆? 姚科, 楊毅, 高福榮 申請(qǐng)人:廣州市香港科大霍英東研究院