CN101968628A - 时变时滞不确定***的饱和自调整控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对时变时滞不确定***的饱和自调整控制器，包括自调整限幅器、常规PID控制器和抗积分饱和器三部分：常规PID控制器根据被控参数y(t)与其目标值r(t)的偏差产生控制指令u_c(t)，自调整限幅器在工况变量s(t)的驱动下，首先计算出时变时滞不确定对象在对应工况下的稳态增益K，然后根据K和r(t)动态生成限幅值，适时对u_c(t)进行限制并产生最终的控制作用u(t)，为防止可能的积分饱和问题，抗积分饱和器根据u_c(t)与u(t)的偏差对PID控制器中的积分作用进行限制。应用本发明，工程技术人员可在工业控制***(装置)上或通过硬件电路与软件编程相结合的方式，方便地对流程工业中广泛存在的一类时变时滞不确定***实施有效控制，提高生产过程的安全性和运行水平。

Description

时变时滞不确定***的饱和自调整控制器

技术领域

本发明属于控制技术领域，特别涉及一种针对时变时滞不确定***的饱和自调整控制器。具体是一种在常规PID控制器输出端设置幅值可自动调整的限幅器，同时采取抗积分饱和措施，用以确保时滞***在工况大范围变化时仍具有良好稳定性和动态性能的优化控制器。

背景技术

时滞***在电力、化工、钢铁等生产过程中大量存在，属于过程控制领域的典型被控对象。一般而言，随着工况的改变，时滞***的迟延时间、增益等也会发生大的变化。由于时滞过程(尤其是迟延时间较长且时变的过程)会对整个***的运行和控制产生显著的消极影响，且该影响很难通过常规的控制手段有效克服，因此，对时变时滞不确定***控制问题的研究一直是学术研究及工程应用领域的热点内容。

苏宏业等人在《自动化学报》(1999年，第4期，第513-517页)上发表的文章“时变时滞不确定***的鲁棒输出反馈控制”研究了时变时滞不确定***基于状态观测器的动态输出反馈实现鲁棒镇定的分析和综合问题。提出了确保该***可通过输出反馈鲁棒镇定的充分条件，并将该充分条件转化为线性矩阵不等式问题，最终通过求解两个线性矩阵不等式来构造输出反馈控制律。但是，该研究更偏重于理论分析和证明，没有对典型工业对象进行必要的仿真验证；从工程应用的角度看，该研究所得的结果较为抽象、复杂，也未给出操作性强的实施步骤，不利于工程技术人员掌握和应用。

发明内容

为解决现有技术不适于工程应用的问题，本发明提供了一种时变时滞不确定***的饱和自调整控制器。

本发明是通过如下的技术方案实现的：

饱和自调整控制器包括常规PID控制器、自调整限幅器和抗积分饱和器；

所述常规PID控制器根据被控参数y(t)与其目标值r(t)的偏差产生控制指令u_c(t)；

所述自调整限幅器在工况变量s(t)的驱动下，首先计算出时变时滞不确定对象在对应工况下的稳态增益K，然后根据K和r(t)动态生成限幅值，适时对u_c(t)进行限制并产生最终的控制作用u(t)；

所述抗积分饱和器根据u_c(t)与u(t)的偏差对所述常规PID控制器中的积分作用进行限制。

具体实施步骤如下：

1.辨识时变时滞不确定被控对象的稳态增益；

以微分方程表示的时变时滞不确定***的一般形式如下：

$b_0\stackrel{\left(m\right)}{y\left(t\right)}+b_1\stackrel{(m-1)}{y\left(t\right)}+\·\·\·+b_{m-1}\stackrel{\left(1\right)}{y\left(t\right)}+b_{m}y\left(t\right)=a_0\stackrel{\left(n\right)}{u(t-\mathrm{\τ})}+a_1\stackrel{(n-1)}{u(t-\mathrm{\τ})}+\·\·\·+a_{n-1}\stackrel{\left(1\right)}{u(t-\mathrm{\τ})}+a_{n}u(t-\mathrm{\τ}),n\≥m$

其中，u(t)为***输入变量，y(t)为***输出变量，t为时间变量，b₀～b_m、a₀～a_n为微分方程各阶导数的系数，τ为时滞(迟延)时间。对于时变时滞不确定***，τ总是大于零且在一定范围内变化。

该***输出对输入的稳态增益定义为：

考虑到被控对象的稳态增益在大范围变工况过程中可能发生变化，一般根据工况由低(如30％工况)→中(如60％工况)→高(如90％工况)辨识三个增益K_L、K_M、K_H，其它工况下的增益通过插值的方法求取。

2.设计自调整限幅器；

自调整限幅器的输出为u(t)，输入为常规PID控制器的输出u_c(t)，其关系为：

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}_c\left(t\right),& \left|u_c\left(t\right)\right|\≤K_c\left|\frac{r\left(t\right)}{K}\right|\\ K_c\·\frac{r\left(t\right)}{K},& \left|u_c\left(t\right)\right|>K_c\left|\frac{r\left(t\right)}{K}\right|\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，r(t)为控制目标值(给定值)，K为被控对象的稳态增益，K_c为限幅调整系数，

即为限幅器的限幅值。显然，限幅值是随r(t)、K和K_c的变化而变化的。K_c可根据需要设置，但为了在保证小扰动作用下***稳态精度的同时不对***的稳定性产生影响，K_c一般取1.1左右。

K的选取基于辨识出的低、中、高三个工况点的稳态增益K_L、K_M、K_H，在工况变量s(t)(体现工况变化的物理量，如火力发电过程中的发电量、蒸汽流量等)的驱动下，通过插值的方法求得：

$K=\left\{\begin{array}{cc}{K}_L,& s\left(t\right)<S_L\\ \frac{K_M-K_L}{S_M-S_L}[s\left(t\right)-S_L]+K_L,& S_L\&le;s\left(t\right)\&le;S_M\\ \frac{K_H-K_M}{S_H-S_M}[s\left(t\right)-S_M]+K_M,& S_M<s\left(t\right)\&le;S_H\\ K_H,& S_H<s\left(t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，S_L、S_M、S_H分别对应工况变量s(t)在低、中、高三个工况点的数值，该数值可从***设计说明书或运行规程中查得。

所述自调整限幅器有三个外部输入变量：r(t)、u_c(t)和s(t)，有7个内部设置参数：K_L、K_M、K_H、S_L、S_M、S_H、K_c，限幅器输出u(t)依次按照公式(2)和(1)计算得到。

3.配制常规PID控制器；

常规PID控制器可表述为：

$u_c\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_I{\&Integral;}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

其中，u_c(t)为控制器输出，e(t)＝r(t)-y(t)为被控参数的偏差信号，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数。

PID控制器参数可采用理论或工程方法整定，应用中根据具体需求进行选择。

4.加入抗积分饱和器；

抗积分饱和器分别从自调整限幅器的输入和输出端选取信号进行抗积分饱和运算：

e_a(t)＝K_a[u_c(t)-u(t)]    (4)

其中，e_a(t)为抗积分饱和器的输出，K_a为抗积分饱和系数，通常取K_a＝10K_I。

抗积分饱和器的输出以负作用加入到PID控制器的积分作用中，则PID控制器的输出变为：

$u_c\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+{\&Integral;}_0^t[K_{I}e\left(t\right)-e_a\left(t\right)]\mathrm{dt}+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

所述饱和自调整控制器可在绝大多数的工业控制***(装置)中通过软件编程或组态的方式实现，若工业控制***(装置)的存储容量或运算负荷受限，可采用硬件电路与软件编程相结合的方式来实现饱和自调整控制器。

所述硬件电路包含中央处理器、I/O接口、通信接口、时钟同步电路、EPROM、RAM、故障检测电路及掉电检测电路。

本发明控制器结构简单，贴近实际运行情况、易于工程实现。工程技术人员可以方便地对流程工业中广泛存在的一类时变时滞不确定***实施有效控制，提高生产过程的安全性和运行水平。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为针对时变时滞不确定***的饱和自调整控制器的原理结构图；

图2为实现饱和自调整控制器的硬件电路结构图；

图3为不同工况下时变时滞不确定***跟随性能的测试曲线；

图4为不同工况下时变时滞不确定***抗扰性能的测试曲线。

附图标记：

1-自调整限幅器、2-常规PID控制器、3-抗积分饱和器、

4-时变时滞不确定***。

具体实施方式

本发明提出的针对时变时滞不确定***的饱和自调整控制器可在绝大多数的工业控制***(装置)中通过软件编程或组态的方式实现。

若工业控制***(装置)的存储容量或运算负荷受限，需要采用硬件电路与软件编程相结合的方式来实现饱和自调整控制器。该硬件电路如图2所示，电路中除包含中央处理器外，还包含I/O接口、通信接口、时钟同步电路、EPROM、RAM、故障检测电路、掉电检测电路。

其中，I/O接口用于连接键盘、显示器等人机交互设备；通信接口用于与工业控制***(装置)进行数据传输；时钟同步电路用于数据采集与传输中的时间同步；EPROM用于存储由软件编制的常规PID控制器、自调整限幅器和抗积分饱和器的输出规则；RAM用于存储来自现场的实时数据；故障检测电路用于在运算失败时自动复位程序；掉电检测电路用于在电压突降或瞬间断电时保护中央处理器中的状态信息。通信接口从生产现场获取时变时滞不确定对象的实时数据y(t)和s(t)，经过中央处理器运算后产生的控制作用u(t)再由通信接口送回到工业控制***(装置)，进而驱动执行机构实施控制。

某火力发电厂600MW单元制机组主蒸汽温度被控对象是典型的时变时滞不确定***，其在3个工况点的传递函数模型分别为：

30％工况：s＝160kg/s

60％工况：

s＝300kg/s

90％工况：

s＝500kg/s

其中，s为蒸汽流量(kg/s)，代表被控对象工况变化的物理量，被控制量y为主蒸汽温度(℃)，控制量u为减温器的喷水流量(kg/s)。基于上述模型，实现本发明给出的饱和自调整控制器的具体步骤如下：

1)设置并存储内部参数：

K_L＝5.1，K_M＝2.6，K_H＝1.2，S_L＝160，S_M＝300，S_H＝500，K_c＝1.1

内部参数将被用于按照式(1)和式(2)实时计算自调整限幅器的限幅值；

2)以软件编程或组态的方式，按照式(1)和式(2)的形式实现自调整限幅器；按照式(4)和式(5)的形式分别实现抗积分饱和器与加入抗积分饱和作用的PID控制器；

3)根据被控对象在90％工况点的模型整定出PID控制器的参数分别为：K_P＝0.1、K_I＝0.02、K_D＝0.03，相应得到K_a＝10K_I＝0.2；

4)引入被控参数的目标值r(t)、被控参数的测量值y(t)以及代表时变时滞不确定***工况变化的参数s(t)，按照图1的形式，完成自调整限幅器1、常规PID控制器2、抗积分饱和器3与被控对象的输入/输出连接，即可实现***的饱和自调整控制。

为了检验本发明提出的饱和自调整控制器的性能，进行如下仿真测试：

①跟随性能测试

分别在30％、60％、90％三个工况点，将被控参数的目标值r在t＝10s时由0阶跃增加到1，三个工况点下被控对象响应曲线的对比关系如图3所示。从仿真曲线可以看出，在被控对象的增益、惯性时间常数、迟延时间均有大范围变化时，饱和自调整控制器不仅能够确保***响应过程的稳定，还能使各响应过程具有快速、平滑的响应性能。需要指出的是，图中90％工况下响应曲线的初始段响应速度较快，但中后段的响应速度要慢于30％和60％工况，究其原因，90％工况下被控对象的稳态增益为1.1，较之其它两种工况(60％工况的稳态增益为1.6，30％工况的稳态增益为2.1)显著下降，同时，整个测试当中采用的PID控制器参数没有变化(均为K_P＝0.1、K_I＝0.02、K_D＝0.03)，因此，开环***的总增益在90％工况下是最小的，再加上自调整限幅器的作用，使得90％工况下的响应速度整体小于30％和60％工况。如要改变此种情况可考虑将本发明中的常规PID控制器改为自适应PID控制器，具体方法可参阅相关文献，此处不再赘述。

②抗扰性能测试

保持被控参数的目标值不变，分别针对30％、60％、90％三个工况点，在t＝200s时，在被控对象的输入端加入幅值为0.1的阶跃扰动信号，三个工况点下被控对象响应曲线的对比关系如图4所示。从仿真曲线可以看出，在被控对象的增益、惯性时间常数、迟延时间均有大范围变化时，饱和自调整控制器具有良好的抗扰性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以通过重新整定PID控制器参数来实现对不同的时变时滞不确定***的有效控制。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.时变时滞不确定***的饱和自调整控制器，其特征在于，包括常规PID控制器、自调整限幅器和抗积分饱和器；

所述常规PID控制器根据被控参数y(t)与其目标值r(t)的偏差产生控制指令u_c(t)；

所述自调整限幅器在工况变量s(t)的驱动下，首先计算出时变时滞不确定对象在对应工况下的稳态增益K，然后根据K和r(t)动态生成限幅值，适时对u_c(t)进行限制并产生最终的控制作用u(t)；

所述抗积分饱和器根据u_c(t)与u(t)的偏差对所述常规PID控制器中的积分作用进行限制。

2.如权利要求1所述的饱和自调整控制器，其特征在于，所述自调整限幅器有三个外部输入变量：被控参数目标值r(t)、常规PID控制器输出u_c(t)及工况变量s(t)；

所述自调整限幅器有七个内部设置参数：低工况时被控对象的稳态增益K_L、中间工况时被控对象的稳态增益K_M、高工况时被控对象的稳态增益K_H、低工况时工况变量的数值S_L、中间工况时工况变量的数值S_M、高工况时工况变量的数值S_H、限幅调整系数K_c；

所述自调整限幅器有一个输出变量u(t)；

自调整限幅器的输出u(t)与输入u_c(t)的函数关系为：

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}_c\left(t\right),& \left|u_c\left(t\right)\right|\&le;K_c\left|\frac{r\left(t\right)}{K}\right|\\ K_c\&CenterDot;\frac{r\left(t\right)}{K},& \left|u_c\left(t\right)\right|>K_c\left|\frac{r\left(t\right)}{K}\right|\end{array}\right.$

其中，限幅器的限幅值

随r(t)、K和K_c的变化而变化；K_c根据需要设置；K的选取基于由生产数据辨识出的低、中、高三个工况点的稳态增益K_L、K_M和K_H，在工况变量s(t)的驱动下，通过插值的方法求得：

$K=\left\{\begin{array}{cc}{K}_L,& s\left(t\right)<S_L\\ \frac{K_M-K_L}{S_M-S_L}[s\left(t\right)-S_L]+K_L,& S_L\&le;s\left(t\right)\&le;S_M\\ \frac{K_H-K_M}{S_H-S_M}[s\left(t\right)-S_M]+K_M,& S_M<s\left(t\right)\&le;S_H\\ K_H,& S_H<s\left(t\right)\end{array}\right..$

3.如权利要求1所述的饱和自调整控制器，其特征在于，所述饱和自调整控制器在工业控制***或装置的存储容量或运算负荷受限的情况下，可采用硬件电路与软件编程相结合的方式实现；

所述硬件电路包含中央处理器、I/O接口、通信接口、时钟同步电路、EPROM、RAM、故障检测电路及掉电检测电路。

Images