專(zhuān)利名稱(chēng)：分布式內(nèi)模控制系統(tǒng)的參數(shù)定量整定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種分布式內(nèi)模控制系統(tǒng)的參數(shù)定量整定方法。
背景技術(shù)：
盡管高級(jí)過(guò)程控制的快速發(fā)展，內(nèi)?？刂评碚撊匀粚?duì)工程設(shè)計(jì)人員和理論研究界有著較大的吸引力。原因之一，是由于內(nèi)?？刂破骶哂袉我坏目烧{(diào)參數(shù)，便于控制器調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)這一參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)性能和魯棒穩(wěn)定性之間的折中。而且，由于基于內(nèi)模理論的控制器設(shè)計(jì)方法，充分利用了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性信息，力圖設(shè)計(jì)出最優(yōu)控制器，因而受到廣泛的重視。
目前，針對(duì)單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器的方法已經(jīng)被擴(kuò)展到多變量系統(tǒng)。常見(jiàn)的一類(lèi)設(shè)計(jì)方法是基于分布控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)模PID/PI控制器，這類(lèi)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。例如Lee M等人在《AIChE Journal》(美國(guó)化學(xué)工程協(xié)會(huì)雜志)(2004年7月第4期，總第50卷，第1631-1635頁(yè))上發(fā)表的“Analytical design of multiloop PID controllers for desired closed-loopresponses”(可達(dá)到理想的閉環(huán)響應(yīng)的分布式PID控制器的解析設(shè)計(jì)方法)，以及發(fā)明專(zhuān)利“化工雙輸入輸出過(guò)程的分布式PI和PID控制器的定量整定方法”(申請(qǐng)?zhí)?00510023784.0)，就屬于此類(lèi)設(shè)計(jì)方法。盡管針對(duì)這類(lèi)控制器的設(shè)計(jì)方法，不同的文獻(xiàn)具有略微不同的設(shè)計(jì)步驟，但它們都包含一個(gè)顯著的共同點(diǎn)即每一控制環(huán)中只含有一個(gè)控制參數(shù)，它的取值與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能有很大關(guān)系。關(guān)于此單參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，雖然針對(duì)單變量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法已有很多，如相角、相位域度，Nyquist曲線等方法，但若將這些方法直接應(yīng)用到多變量控制系統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生很大誤差，且弱化了控制器參數(shù)與控制環(huán)性能之間的關(guān)系。其主要原因是這些方法沒(méi)有考慮進(jìn)多回路控制系統(tǒng)中的耦合作用。此外，多變量系統(tǒng)的內(nèi)?？刂破髦袇?shù)調(diào)節(jié)也如同單變量?jī)?nèi)?？刂葡到y(tǒng)一樣，符合一個(gè)固有的規(guī)律，即單調(diào)的調(diào)節(jié)每一回路中的單參數(shù)，可以達(dá)到此回路的標(biāo)稱(chēng)性能和魯棒性能之間的折中。但這條規(guī)律同樣沒(méi)有考慮多變量系統(tǒng)中的耦合作用，因此在調(diào)節(jié)某一回路性能時(shí)，其他回路的性能也會(huì)受到不同程度的未知干擾。因此，依據(jù)此規(guī)律調(diào)節(jié)控制參數(shù)的方法屬于經(jīng)驗(yàn)法，并不利于系統(tǒng)在線、快速的調(diào)節(jié)。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Liu T等人在《Industrial and EngineeringChemistry Research》(化學(xué)工業(yè)與工程研究雜志)(2006年4月第9期，總第45卷，第3149-3160頁(yè))上發(fā)表的“Analytical design of decoupling InternalModel Control(IMC)scheme for Two-Input-Two-Output(TITO)processes withtime delays”(雙輸入雙輸出時(shí)滯系統(tǒng)的解耦內(nèi)模控制器的解析設(shè)計(jì))，該文提出一種整定內(nèi)?？刂破髦袉螀?shù)的解析的方法，該方法原理簡(jiǎn)單，在理論上可達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果。其不足是文章中給出的參數(shù)的定量整定方法，沒(méi)有考慮多變量系統(tǒng)中的耦合作用，因而存在較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，使其依據(jù)解析的計(jì)算方法通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)來(lái)定量的計(jì)算出相應(yīng)的控制參數(shù)，達(dá)到用戶滿意的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)快速的控制效果，并且針對(duì)具體的控制系統(tǒng)，通過(guò)此解析的計(jì)算方法可以得到系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量和系統(tǒng)輸出性能之間的關(guān)系，這使得工程人員能夠依據(jù)實(shí)際控制輸出要求來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置。由于這種整定策略較充分的考慮了多變量系統(tǒng)中的耦合作用，因此可以達(dá)到同時(shí)的協(xié)調(diào)每一回路中的控制參數(shù)的目的。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明在現(xiàn)有的模型辨識(shí)技術(shù)(如繼電反饋法)和分布式內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)方法(如Lee M的內(nèi)模PID控制方法)的基礎(chǔ)上，首先通過(guò)給出的解析式，粗略的選定初始控制器參數(shù)值；然后再通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置，來(lái)進(jìn)一步推導(dǎo)出最終的控制器參數(shù)值。將以上參數(shù)定量整定方法編制成軟件集成在工控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控模塊中，當(dāng)用戶根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況選定系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)時(shí)，由監(jiān)控模塊自動(dòng)執(zhí)行事先編制好的參數(shù)定量整定程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的定量整定。同時(shí)用戶還可將系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量和系統(tǒng)輸出性能之間的關(guān)系存儲(chǔ)在工控機(jī)的存儲(chǔ)單元中，以便工程人員在以后的操作中，依據(jù)實(shí)際控制輸出要求選擇主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)作用。
包括具體步驟如下1)當(dāng)工控機(jī)的檢測(cè)部分接到主機(jī)發(fā)出的采樣命令后，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行采樣濾波，由模擬量輸入通道將采樣信號(hào)送入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)后對(duì)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)象辨識(shí)模塊基于繼電反饋法辨識(shí)出被控過(guò)程的模型為 其中g(shù)ij(s)e-θijs是指從被控過(guò)程的第i個(gè)輸入到第j個(gè)輸出的傳遞函數(shù)，gij(s)是其穩(wěn)定正則的有理傳遞函數(shù)部分，θij是其對(duì)應(yīng)的過(guò)程傳輸時(shí)滯，i，j＝1，2，…，n。將辨識(shí)出的模型參數(shù)送到工控機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中。并選定一種分布式內(nèi)?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)控制器C(s)＝diag{C1(s，λ1)，C2(s，λ2)，…，Cn(s，λn)}n×n，將推導(dǎo)C(s)的計(jì)算式存儲(chǔ)在工控機(jī)的控制器輸出計(jì)算模塊中。
2)將依據(jù)實(shí)際要求選定的系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間由鍵盤(pán)輸入到存儲(chǔ)單元RAM，再由工控機(jī)參數(shù)計(jì)算模塊中的上升時(shí)間與控制器參數(shù)的定量關(guān)系式，計(jì)算出控制器C(s)的參數(shù)λi的初值λ‾i(i=1,2,···,n),]]>并將此初值送入控制器輸出計(jì)算模塊計(jì)算控制器C(s)的輸出值。存儲(chǔ)在參數(shù)計(jì)算模塊中的上升時(shí)間與控制器參數(shù)的定量關(guān)系式為tri=2.3026+λ‾i+θi,(ni=1)---(2)]]>tri=3.8897λ‾i+θi,(ni=2)---(3)]]>tri=λ‾i(λ‾i-zi)log(2ziλ‾i+zi)+θi,(ni=1)---(4)]]>以上式中tri表示系統(tǒng)中第i條控制回路的階躍響應(yīng)的上升時(shí)間；θi表示第i條控制回路包含的時(shí)滯項(xiàng)；zi為第i條控制回路包含的右半平面零點(diǎn)；ni為整數(shù)，其值保證了第i條回路的內(nèi)?？刂破魇钦齽t的。由于實(shí)際控制系統(tǒng)中ni＞2的情況較少，因此省略了ni＞2的推導(dǎo)過(guò)程。(2)式適用于ni＝1，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)不含右半平面零點(diǎn)的情況；(3)式適用于ni＝2，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)不含右半平面零點(diǎn)的情況；(4)式適用于ni＝1，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)含有一個(gè)右半平面零點(diǎn)的情況。當(dāng)系統(tǒng)每一控制回路的上升時(shí)間tri確定后，就可依據(jù)上述(2)-(4)中的一式反求出相應(yīng)回路的控制參數(shù)初值 由于這種計(jì)算方法沒(méi)有考慮系統(tǒng)耦合的影響，所以只能用其粗略的計(jì)算出控制參數(shù)初值。
3)在控制面板上設(shè)計(jì)可移動(dòng)的滑塊，編寫(xiě)程序使滑塊的移動(dòng)量與系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量一致。運(yùn)行控制系統(tǒng)，在線檢測(cè)控制系統(tǒng)在初始參數(shù)λ‾i(i=1,2,···n)]]>下的輸出響應(yīng)，若響應(yīng)曲線過(guò)于振蕩，則移動(dòng)滑塊使系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)增大少量，增加量表示為 再由工控機(jī)監(jiān)控模塊中存儲(chǔ)的控制參數(shù)計(jì)算式計(jì)算出新的控制參數(shù)值，即λi；若輸出響應(yīng)過(guò)于緩慢，則移動(dòng)滑塊使系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)減少 再計(jì)算出新的控制參數(shù)值λi。存儲(chǔ)在監(jiān)控模塊中的控制參數(shù)計(jì)算式如下當(dāng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)為實(shí)數(shù)時(shí)，采用以下計(jì)算式ξ=[ϵλ~1,ϵλ~2,···ϵλ~n]T=-xT(xxT)-1y,λi=λ‾i+ϵλ~i,i=1,2,···,n.---(5)]]>當(dāng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)為復(fù)數(shù)時(shí)，采用以下計(jì)算式ξ=[ϵλ~1,ϵλ~2,···,ϵλ~n]T=-Re(x)TIm(x)TRe(x)Im(x)Re(x)TIm(x)T-1λi=λ‾i+ϵλ~i,i=1,2,···,n.Re(y)Im(y),---(6)]]>其中y=u*[G′(p‾)C(p‾)+G(p‾)C′(p‾)]vϵp~,]]>x=u*G(p‾)diag{∂C1(p‾,λ1)∂λ1|λ1=λ‾1,∂C2(p‾,λ2)∂λ2|λ2=λ‾2,···,∂Cn(p‾,λn)∂λn|λn=λ‾n}diag(v).]]>
式中u和v分別是G(s)C(s)|s＝p的左奇異值向量和右奇異值向量，即滿足u*[G(s)C(s)|s＝p]v＝-1；p為控制系統(tǒng)在初始控制參數(shù) 下的主導(dǎo)極點(diǎn)，其可通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)計(jì)算模塊中的計(jì)算式det(I+G(s)C(s))|λi=λi‾=0]]>求解得到。
選擇主導(dǎo)極點(diǎn)的滑動(dòng)模塊可采用分檔調(diào)節(jié)的方式。采用分檔方式時(shí)，可供用戶參考的分檔為將滑動(dòng)模塊分為-10％|p|、-20％|p|、…、-90％p、0、10％|p|、20％|p|、…、90％p19個(gè)檔。例如，當(dāng)滑塊滑動(dòng)到10％p一擋時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)將ϵp‾=10%p‾]]>送入存儲(chǔ)單元，用于計(jì)算新的控制參數(shù)。
4)將新的控制參數(shù)值λi送入計(jì)算單元，由控制器輸出計(jì)算模塊按照已存儲(chǔ)的C(s)的計(jì)算式，計(jì)算出相應(yīng)的控制器輸出值，并重新計(jì)算此時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的主導(dǎo)極點(diǎn)的位置。
需主意的是若主導(dǎo)極點(diǎn)需要移動(dòng)的量大于|p|，可先通過(guò)移動(dòng)滑塊選擇適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)量，再將此次計(jì)算出新的控制參數(shù)值作為下一次計(jì)算所需的控制參數(shù)初值，重復(fù)上述步驟3)-4)，直至實(shí)際控制系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)達(dá)到理想的位置。
5)通過(guò)控制面板上的移動(dòng)滑塊選擇不同檔的極點(diǎn)變化量 重復(fù)步驟3)-4)，記錄下不同檔的極點(diǎn)變化量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出的時(shí)域指標(biāo)量，如上升時(shí)間、超調(diào)量和積分誤差I(lǐng)SE，由此找到一組極點(diǎn)變化量 和系統(tǒng)輸出時(shí)域指標(biāo)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將這一組關(guān)系存儲(chǔ)在工控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中，在以后的操作中，工程人員可依據(jù)實(shí)際要求的時(shí)域指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確的選擇出相應(yīng)的極點(diǎn)變化量 然后再根據(jù)步驟3)-4)計(jì)算出新的控制參數(shù)和控制器輸出。因此，這一組極點(diǎn)變化量 和系統(tǒng)輸出指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際控制要求和控制參數(shù)的整定之間間接的建立了一座橋梁。
本發(fā)明給出的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法可以在工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，由于本發(fā)明提出的方法，充分考慮了多變量系統(tǒng)中的耦合作用，因此在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)采用本發(fā)明中的方法，可以準(zhǔn)確、同時(shí)的計(jì)算出每一控制回路的控制參數(shù)。且本發(fā)明采用的是解析的計(jì)算方法，相比一般的迭代等數(shù)值方法，具有計(jì)算時(shí)間短、算法易理解和便于用戶操作的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中能達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果。本發(fā)明適用范圍廣泛，可以適用于不同的單參數(shù)控制器的設(shè)計(jì)方法及高維被控對(duì)象。


圖1為本發(fā)明在工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明使用的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖。
其中C為控制器，G為被控對(duì)象，r和y分別為閉環(huán)系統(tǒng)的輸入和輸出，u為控制器輸出，e偏差信號(hào)。
圖3為本發(fā)明給出的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法所采用的軟件編程的流程圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的閉環(huán)響應(yīng)輸出曲線。
其中虛線和實(shí)線分別表示系統(tǒng)采用初始控制參數(shù)和新的控制參數(shù)時(shí)所得到的閉環(huán)響應(yīng)曲線。
圖4表明應(yīng)用本發(fā)明中控制器參數(shù)定量整定方法明顯改善了系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)響應(yīng)性能。
圖5為本實(shí)施例中閉環(huán)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)與上升時(shí)間的定量關(guān)系。
圖6為本實(shí)施例中閉環(huán)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)與超調(diào)量的定量關(guān)系。
圖7為本實(shí)施例中閉環(huán)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)與積分誤差I(lǐng)SE的定量關(guān)系。
圖5-7的關(guān)系式為工程人員快速、準(zhǔn)確的選擇合適的系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)提供了依據(jù)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖闡述的是本發(fā)明給出的一個(gè)實(shí)施例表現(xiàn)出的優(yōu)良控制效果。需要指出，本發(fā)明不只限于下述的實(shí)施例，本實(shí)施例在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容所涉及范圍的前提下進(jìn)行實(shí)施，給出的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，適用于各種不同的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于能源、冶金、石化、輕工、醫(yī)藥、建材、紡織等行業(yè)中各類(lèi)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制。
實(shí)施例針對(duì)一個(gè)廣泛研究采用的化工烴化物分餾塔過(guò)程，應(yīng)用Lee M給出的分布式內(nèi)模PID控制方法和本發(fā)明給出的控制參數(shù)定量整定方法，介紹具體實(shí)施步驟。
本發(fā)明采用單位反饋控制結(jié)構(gòu)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，工控機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，控制方法具體步驟如下1.當(dāng)工控機(jī)的檢測(cè)部分接到主機(jī)發(fā)出的采樣命令后，由對(duì)象辨識(shí)模塊基于繼電反饋法辨識(shí)出被控過(guò)程的模型為G(s)=12.8e-s16.7s+1-18.9e-3s21s+16.6e-7s10.8s+1-19.4e-3s14.4s+1]]>將辨識(shí)出的模型參數(shù)送到工控機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中。并將Lee M給出的如下所示的內(nèi)模PID控制器計(jì)算式存儲(chǔ)在工控機(jī)的控制器輸出計(jì)算模塊中CPID(s)=diag{Kci(1+1τIis+τDis),(i=1,2)}]]>其中Kci=fi′(0),τDi=fi′′(0)/2fi′(0),τIi=-Kci[Gii+′(0)-niλi]/[G-1(0)]iifi(s)=sCi(s),Ci(s)=[Gii-(s)]-1(λis+1)ni-Gii+(s)]]>式中Gii+(s)為G(s)中第i行第i列元素的非最小相位項(xiàng)；Gii-(s)為其最小相位項(xiàng)；ni為整數(shù)，其取值要保證內(nèi)?？刂破鱗Gii-(s)]-1/(λis+1)ni為正則的，對(duì)于此例選取n1＝n2＝1；λi(i＝1，2)為控制器可調(diào)參數(shù)。當(dāng)λi選定時(shí)，即可推導(dǎo)出CPID(s)中比例項(xiàng)Kci、積分項(xiàng)τIi和微分項(xiàng)τDi。
2.設(shè)定上升時(shí)間為25秒，經(jīng)鍵盤(pán)送入到存儲(chǔ)單元RAM中，由工控機(jī)參數(shù)計(jì)算模塊中的上升時(shí)間與控制器參數(shù)的定量關(guān)系式tri=2.3026λ‾i+θi,(ni=1),]]>計(jì)算出控制器C(s)的參數(shù)λi的初值為λ‾1=10]]>和λ‾2=10.]]>再由控制器輸出計(jì)算模塊中的計(jì)算式計(jì)算出相應(yīng)的PID控制參數(shù)為CPID(s)=diag{0.1189(1+18.3336s+0.0445s),-0.0585(1+17.3386s+0.3227s)}]]>3.運(yùn)行控制系統(tǒng)，在線檢測(cè)控制系統(tǒng)在初始參數(shù)λ‾i(i=1,2,···,n)]]>下的輸出響應(yīng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖4中的虛線所示，從中可看出系統(tǒng)輸出響應(yīng)過(guò)于緩慢。移動(dòng)控制面板上的滑塊至-10％|p|檔，由參數(shù)計(jì)算模塊中的計(jì)算式(如下所示)重新的控制參數(shù)值為λ1＝5.8143和λ2＝5.4621。
ξ=[ϵλ~1,ϵλ~2,···ϵλ~n]T=-xT(xxT)-1y,λi=λ‾i+ϵλ~i,i=1,2,···,n.]]>其中y=u*[G′(p‾)C(p‾)+G(p‾)C′(p‾)]vϵp~,]]>x=u*G(p‾)diag{∂C1(p‾,λ1)∂λ1|λ1=λ‾2,∂C2(p‾,λ2)∂λ2|λ2=λ‾2,···,∂Cn(p‾,λn)∂λn|λn=λ‾n}diag(v).]]>上式中p為控制系統(tǒng)在初始控制參數(shù) 下的主導(dǎo)極點(diǎn)，其可通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)計(jì)算模塊中的計(jì)算式det(I+G(s)C(s)|λi=λ‾i)=0]]>求解得到為p＝-0.0347。
4.將新的控制參數(shù)值λi送入計(jì)算單元，由控制器輸出計(jì)算模塊按照已存儲(chǔ)的C(s)的計(jì)算式，計(jì)算出相應(yīng)的控制器輸出為CPID(s)=diag{0.1923(1+19.4346s+0.0719s),-0.0910(1+17.5663s+0.4962s)}]]>并計(jì)算到此時(shí)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)為p＝-0.0372。
仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別在t＝0，t＝100秒時(shí)刻，向控制系統(tǒng)的兩路給定值輸入r1和r2加入單位階躍信號(hào)，所得到的系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)曲線為圖4中所示。其中，虛線表示系統(tǒng)采用初始控制參數(shù)值，即第2步求得的參數(shù)λ‾1=10]]>和λ‾2=10]]>時(shí)所得到的閉環(huán)響應(yīng)曲線，實(shí)線表示系統(tǒng)采用新的控制參數(shù)，即第3步求得的參數(shù)λ1＝5.8143和λ2＝5.4621時(shí)所得到的閉環(huán)響應(yīng)曲線。從圖中可看出，應(yīng)用本發(fā)明給出的參數(shù)定量整定方法，系統(tǒng)各閉環(huán)回路的響應(yīng)速度明顯提高，響應(yīng)性能得到了很好的改善。而且，通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)的實(shí)際變化量可看出本發(fā)明給出的計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確度。
5.通過(guò)控制面板上的移動(dòng)滑塊選擇不同檔的極點(diǎn)變化量 重復(fù)步驟3-4，記錄下不同檔的極點(diǎn)變化量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出的時(shí)域指標(biāo)量，如上升時(shí)間、超調(diào)量和積分誤差I(lǐng)SE，由此找到一組極點(diǎn)變化量 和系統(tǒng)輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5-7所示。并將這一組關(guān)系存儲(chǔ)在工控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中。在以后的操作中，工程人員可依據(jù)實(shí)際要求的時(shí)域指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確的選擇出相應(yīng)的極點(diǎn)變化量
權(quán)利要求
1.一種分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征在于，首先通過(guò)給出的解析式，選定初始控制器參數(shù)值；然后再通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置，來(lái)進(jìn)一步推導(dǎo)出最終的控制器參數(shù)值，將以上參數(shù)定量整定方法編制成軟件集成在工控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控模塊中，當(dāng)用戶根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況選定系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)時(shí)，由監(jiān)控模塊自動(dòng)執(zhí)行事先編制好的參數(shù)定量整定程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的定量整定，同時(shí)用戶還可將系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量和系統(tǒng)輸出性能之間的關(guān)系存儲(chǔ)在工控機(jī)的存儲(chǔ)單元中，以便工程人員在以后的操作中，依據(jù)實(shí)際控制輸出要求選擇主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的調(diào)節(jié)作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式內(nèi)模控制系統(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征是，包括具體步驟如下1)當(dāng)工控機(jī)的檢測(cè)部分接到主機(jī)發(fā)出的采樣命令后，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行采樣濾波，由模擬量輸入通道將采樣信號(hào)送入檢測(cè)變送裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)后對(duì)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)象辨識(shí)模塊基于繼電反饋法辨識(shí)出被控過(guò)程的模型為 其中g(shù)ij(s)e-θijs是指從被控過(guò)程的第i個(gè)輸入到第j個(gè)輸出的傳遞函數(shù)，gij(s)是其穩(wěn)定正則的有理傳遞函數(shù)部分，θij是其對(duì)應(yīng)的過(guò)程傳輸時(shí)滯，i，j＝1，2，…，n，將辨識(shí)出的模型參數(shù)送到工控機(jī)的存儲(chǔ)單元RAM中，并選定一種分布式內(nèi)?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)控制器C(s)＝diag{C1(s，λ1)，C2(s，λ2)，…，Cn(s，λn)}n×n，將推導(dǎo)C(s)的計(jì)算式存儲(chǔ)在工控機(jī)的控制器輸出計(jì)算模塊中；2)將依據(jù)實(shí)際要求選定的系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間由鍵盤(pán)輸入到存儲(chǔ)單元RAM，再由工控機(jī)參數(shù)計(jì)算模塊中的上升時(shí)間與控制器參數(shù)的定量關(guān)系式，計(jì)算出控制器C(s)的參數(shù)λi的初值 并將此初值送入控制器輸出計(jì)算模塊計(jì)算控制器C(s)的輸出值，存儲(chǔ)在參數(shù)計(jì)算模塊中的上升時(shí)間與控制器參數(shù)的定量關(guān)系式為tri=2.3026λ‾i+θi,]]>(ni＝1)tri=3.8897λ‾i+θi,]]>(ni＝2)tri=λ‾izi(λ‾i-zi)log(2ziλ‾i+zi)+θi,]]>(ni＝1)以上式中tri表示系統(tǒng)中第i條控制回路的階躍響應(yīng)的上升時(shí)間；θi表示第i條控制回路包含的時(shí)滯項(xiàng)；zi為第i條控制回路包含的右半平面零點(diǎn)；ni為整數(shù)，其值保證了第i條回路的內(nèi)模控制器是正則的。上述第一式適用于ni＝1，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)不含右半平面零點(diǎn)的情況；第二式適用于ni＝2，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)不含右半平面零點(diǎn)的情況；第三式適用于ni＝1，且此回路閉環(huán)傳遞函數(shù)含有一個(gè)右半平面零點(diǎn)的情況；3)在控制面板上設(shè)計(jì)可移動(dòng)的滑塊，編寫(xiě)程序使滑塊的移動(dòng)量與系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的變化量一致，運(yùn)行控制系統(tǒng)，在線檢測(cè)控制系統(tǒng)在初始參數(shù) 下的輸出響應(yīng)，若響應(yīng)曲線過(guò)于振蕩，則移動(dòng)滑塊使系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)增大少量，增加量表示為 再由工控機(jī)監(jiān)控模塊中存儲(chǔ)的控制參數(shù)計(jì)算式計(jì)算出新的控制參數(shù)值，即λi；若輸出響應(yīng)過(guò)于緩慢，則移動(dòng)滑塊使系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)減少 再計(jì)算出新的控制參數(shù)值λi，存儲(chǔ)在監(jiān)控模塊中的控制參數(shù)計(jì)算式如下當(dāng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)為實(shí)數(shù)時(shí)，采用以下計(jì)算式ξ=[ϵλ~1,ϵλ~2,...,ϵλ~n]T=-xT(xxT)-1y,λi=λ‾i+ϵλ~i,i=1,2,...,n.]]>當(dāng)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)為復(fù)數(shù)時(shí)，采用以下計(jì)算式ξ=[ϵλ~1,ϵλ~2,···,ϵλ~n]T=-Re(x)TIm(x)T(Re(x)Im(x)Re(x)TIm(x)T)-1λi=λi‾+ϵλ~i,i=1,2,···,n.Re(y)Im(y),]]>其中y=u*[G′(p‾)C(p‾)+G(p‾)C′(p‾)]vϵp~,]]>x=u*G(p‾)diag{∂C1(p‾,λ1)∂λ1|λ1=λ‾1,∂C2(p‾,λ2)∂λ2|λ2=λ‾2,···,∂Cn(p‾,λn)∂λn|λn=λn‾,}diag(v).]]>式中u和v分別是G(s)C(s)|s＝p的左奇異值向量和右奇異值向量；p為控制系統(tǒng)在初始控制參數(shù) 下的主導(dǎo)極點(diǎn)；4)將新的控制參數(shù)值λ1送入計(jì)算單元，由控制器輸出計(jì)算模塊按照已存儲(chǔ)的C(s)的計(jì)算式，計(jì)算出相應(yīng)的控制器輸出值，并重新計(jì)算此時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的主導(dǎo)極點(diǎn)的位置；5)通過(guò)控制面板上的移動(dòng)滑塊選擇不同檔的極點(diǎn)變化量 重復(fù)權(quán)利要求2中步驟3)-4)，記錄下不同檔極點(diǎn)變化量對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出的時(shí)域指標(biāo)量，如上升時(shí)間、超調(diào)量和積分誤差I(lǐng)SE，由此找到一組極點(diǎn)變化量 和系統(tǒng)輸出時(shí)域指標(biāo)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將這一組關(guān)系存儲(chǔ)在工控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征是，所述步驟3)和4)中的主導(dǎo)極點(diǎn)p可通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)計(jì)算模塊中的計(jì)算式det(I+G(s)C(s)|λ1=λ‾i)=0]]>求解得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征是，所述步驟3)中選擇主導(dǎo)極點(diǎn)的滑動(dòng)模塊采用分檔調(diào)節(jié)的方式，可將滑動(dòng)模塊分為-10％|p|、-20％|p|、…、-90％p、0、10％|p|、20％|p|、…、90％p19個(gè)檔。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征是，使用步驟4)給出的計(jì)算式計(jì)算新的控制器輸出時(shí)，若主導(dǎo)極點(diǎn)需要移動(dòng)的量大于|p|，可先通過(guò)移動(dòng)滑塊選擇適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)量，再將此次計(jì)算出新的控制參數(shù)值作為下一次計(jì)算所需的控制參數(shù)初值，重復(fù)權(quán)利要求2中步驟3)-4)，直至實(shí)際控制系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)達(dá)到理想的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，其特征是，所述步驟5)構(gòu)建了一組極點(diǎn)變化量 和系統(tǒng)輸出時(shí)域指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將這一組關(guān)系存儲(chǔ)在工控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中，在以后的操作中，工程人員可依據(jù)實(shí)際要求的時(shí)域指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確的選擇出相應(yīng)的極點(diǎn)變化量 然后再根據(jù)權(quán)利要求2中步驟3)-4)計(jì)算出新的控制參數(shù)和控制器輸出。
全文摘要
一種工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域的分布式內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)定量整定方法，首先通過(guò)給出的解析式，粗略的選定初始控制器參數(shù)值；然后再通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置，來(lái)進(jìn)一步推導(dǎo)出最終的控制器參數(shù)值。將以上參數(shù)定量整定方法編制成軟件集成在工控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控模塊中，當(dāng)用戶根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況選定系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)時(shí)，由監(jiān)控模塊自動(dòng)執(zhí)行事先編制好的參數(shù)定量整定程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的定量整定。采用本發(fā)明方法，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、同時(shí)的調(diào)節(jié)每一控制環(huán)中的參數(shù)值的目的，從而使系統(tǒng)達(dá)到用戶滿意的動(dòng)態(tài)性能。本發(fā)明適用強(qiáng)，可適用于不同的多輸入多輸出系統(tǒng)的單參數(shù)控制方法。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1932700SQ20061011662
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者陳培穎, 張衛(wèi)東, 劉媛媛, 蔡云澤 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)