CN113625547B - 一种控制器的主阀位置控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制器的主阀位置控制方法，涉及控制器领域，其通过构建比例阀的阶跃响应模型向量，并根据阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵；通过第一比较器获取当前时刻主阀实际位置与预设位置的位置偏差；通过MPC控制器利用当前时刻的位置偏差以及阶跃动态矩阵获取当前时刻MPC控制器的输出值；通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻比例阀的阀后压力偏差；通过当前时刻比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻PID控制器的输出值；根据当前时刻PID控制器的输出值利用比例阀调节主阀的位置，解决了位置控制过程中扰动大、***振荡的问题，大幅提高了位置控制的精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及控制器领域，尤其涉及一种控制器的主阀位置控制方法。
背景技术
多路阀是多路换向阀的简称，它作为工程机械主要控制元件具有结构紧凑、管路连接简单、能够实现多执行机构负载独立控制等优点，因此在工程机械液压***中得到广泛应用。多路阀直接关系到整个工程车辆能否高效安全地运行。随着社会和经济的发展，工业控制***对于阀位控制的准确性以及快速性要求越来越高。目前，国内大部分阀位控制***采用的仍然是传统的PID控制算法，PID控制算法具有原理简单，易于实现的特点，对于被控对象数学模型明确的生产过程控制效果极佳。而由于多路阀的工作环境不同，受流经阀门的介质流量的粘稠度以及阀门内部摩擦力、不平衡力等的影响，阀位控制过程具有很强的非线性、大惯性以及时变性，无法建立精确的数学模型，致使传统PID算法的参数设置极为困难，常常难以达到理想的控制效果，给工业生产过程带来安全问题和巨大的经济损失。
另外，目前国内外关于阀位控制***的研究和应用主要是针对单回路控制***，单回路控制***结构简单，易于操作，但其抗干扰性能较差，而调节阀在工业生产过程中往往会受到很多外界因素的干扰而使阀位控制过程出现动荡，进而引发一系列的安全问题。因此，阀位控制***中使用单回路控制难以保障工业生产过程平稳安全地进行。
综上所述，目前，阀位控制技术主要存在的技术问题是：由于阀位控制过程具有很强的非线性、大惯性以及时变性，无法建立精确的数学模型，常规PID控制算法的控制参数设置极为困难，难以实现有效控制；其次是，单回路控制***的抗干扰性能较差，容易引起位置控制过程的振荡，难以维系工业生产安全运行，而且目前所提出的阀位串级控制***存在抗干扰性能有限、控制算法简单、控制效果一般的问题。
发明内容
为了解决现有技术中常规PID控制算法的控制参数设置极为困难且难以实现有效控制、单回路控制***的抗干扰性能较差容易引起位置控制过程的振荡且目前所提出的阀位串级控制***存在抗干扰性能有限的问题，本发明提出了一种控制器的主阀位置控制方法，所述控制器包括第一比较器、MPC控制器、第二比较器、PID控制器、比例阀、主阀；所述第一比较器与MPC控制器电连接，MPC与第二比较器电连接，第二比较器与PID控制器电连接，PID控制器与比例阀电连接，比例阀与主阀液动连接；所述控制方法包括步骤：
S01：获取当前时刻比例阀输出的阶跃响应采样值，通过阶跃响应采样值构建比例阀的阶跃响应模型向量，并根据阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵；
S02：获取当前时刻主阀的实际位置，并通过第一比较器获取当前时刻主阀实际位置与预设位置的位置偏差；
S03：通过MPC控制器利用当前时刻的位置偏差以及阶跃动态矩阵获取当前时刻MPC控制器的输出值；
S04：获取当前时刻比例阀的阀后压力，并通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻比例阀的阀后压力偏差；
S05：通过当前时刻比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻PID控制器的输出值；
S06：根据当前时刻PID控制器的输出值利用比例阀调节主阀的位置。
进一步地，所述比例阀包含第一比例阀与第二比例阀；所述步骤S01中构建阶跃动态矩阵的具体步骤为：
S11：根据阶跃响应采样获取第一比例阀与第二比例阀输出的阶跃响应采样值；
S12：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应采样值分别获取其对应的阶跃响应模型向量；
S13：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵。
进一步地，所述步骤S04的具体方法包括步骤：
S41：获取当前时刻第一比例阀与第二比例阀的阀后压力；
S42：通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第一比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差；通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第二比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差。
进一步地，所述步骤S05中获取当前时刻PID控制器输出值的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
通过当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
进一步地，所述步骤S06中调节主阀位置的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀与第二比例阀对应的PID控制器输出值调整第一比例阀与第二比例阀的阀后压力以调节主阀的位置。
进一步地，所述步骤S03中获取当前时刻MPC控制器输出值的具体方法为：
S31：通过MPC控制器的预测模型获取当前时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值；
S32：根据当前时刻后各时刻MPC控制器的预测输出值以及阶跃动态矩阵利用MPC控制器的滚动优化法获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量；
S33：通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量利用MPC控制器的反馈校正法获取下一时刻的MPC控制器的输出校正值；
S34：根据下一时刻的MPC控制器的输出校正值获取当前时刻MPC控制器的输出值。
进一步地，所述步骤S32中获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量的公式表达式为：
式中，K为当前时刻，M为控制时域，p为滚动优化的优化时域，A为阶跃动态矩阵，Q为预设误差权矩阵，R为预设控制权矩阵，w为MPC控制器的输出期望值，wp(k)为优化时域内当期时刻MPC控制器的输出期望值，为通过优化时域内各时刻MPC控制器的预测输出值得到的当前时刻的预测输出值，△uM(k)为当前时刻MPC控制器输出值的控制增量。
进一步地，所述步骤S33中获取下一时刻MPC控制器的输出校正值的公式表达式为：
式中，S为预设位移矩阵，为通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量得到的下一时刻MPC控制器的预测修正值，/>为下一时刻MPC控制器的输出校正值。
进一步地，所述步骤S05中获取当前时刻第一比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，Kp为预设比例系数，e1(k)为当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差，e1(k-1)表示上一时刻第一比例阀的阀后压力偏差，i为初始值等于0的常数，T为阶跃响应采样的周期，Ti为预设积分常数，e1(i)为第i时刻第一比例阀的阀后压力偏差，Td为预设微分常数，u1(k-1)为上一时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值，u1(k)为当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
获取当前时刻第二比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，e2(k)为当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(k-1)表示上一时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(i)为第i时刻第二比例阀的阀后压力偏差，u2(k-1)为上一时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值，u2(k)为当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
进一步地，所述控制器还包括位移传感器、第一压力传感器与第二压力传感器；
所述位移传感器与主阀电连接，用于实时获取主阀的实际位置；
所述第一压力传感器与第一比例阀电连接，用于获取第一比例阀的阀后压力；所述第二压力传感器与第二比例阀电连接，用于获取第二比例阀的阀后压力。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明采用PID-MPC复合控制，其中，PID-MPC复合控制中包含内环控制与外环控制，其中内环控制采用PID控制，用来抑制实际工控环境中外界干扰对***的影响效果，外环控制采用多变量动态矩阵控制(MPC)，使得***获得最优控制与分配效果，这种方法可以有效提升预测控制***的性能；
(2)本发明是以主阀位置为控制目标的串级控制方法，该方法涉及的位置串级控制***实际形成了两个回路，一个是主阀位置控制回路，一个是比例阀控制回路，主阀位置控制回路为主环，以主阀位置为主环控制对象；比例阀控制回路为副环，以比例阀为副环控制对象；在位置控制过程中，作为副环的比例阀控制回路会迅速克服被控过程中使***变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动，使二次扰动对主环控制回路的影响微乎其微，之后，作为主环的主阀位置控制回路对副环没有完全克服掉的干扰进行进一步消除，整个控制过程位置变化幅度小且稳定，大幅提高了***的响应速度、控制精度和稳定性；
(3)本发明通过PID控制器与MPC控制器的结合调节主阀的位置，使控制***具有很强的预测控制和自适应能力，解决了位置控制过程中扰动大、***振荡的问题，大幅提高了控制精度和鲁棒性。
附图说明
图1为一种控制器的主阀位置控制方法的方法步骤图；
图2为一种控制器的主阀位置控制方法的控制器结构图；
图3为一种控制器的主阀位置控制方法的滚动优化图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了提升主阀位置控制方法的预测控制与自适应能力，解决现有技术中常规PID控制算法的控制参数设置极为困难且难以实现有效控制、单回路控制***的抗干扰性能较差容易引起位置控制过程的振荡且目前所提出的阀位串级控制***存在抗干扰性能有限的问题，如图1及图2所示，本发明提出了一种控制器的主阀位置控制方法，所述控制器包括第一比较器、MPC控制器、第二比较器、PID控制器、比例阀、主阀；所述第一比较器与MPC控制器电连接，MPC与第二比较器电连接，第二比较器与PID控制器电连接，PID控制器与比例阀电连接，比例阀与主阀液动连接；所述控制方法包括步骤：
S01：获取当前时刻比例阀输出的阶跃响应采样值，通过阶跃响应采样值构建比例阀的阶跃响应模型向量，并根据阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵；
所述比例阀包含第一比例阀与第二比例阀；所述步骤S01中构建阶跃动态矩阵的具体步骤为：
S11：根据阶跃响应采样获取第一比例阀与第二比例阀输出的阶跃响应采样值；
S12：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应采样值分别获取其对应的阶跃响应模型向量；
S13：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵。
需要说明的是，本实施例中PID控制器包括第一PID控制器与第二PID控制器，所述第一PID控制器与第一比例阀电连接，所述第二PID控制器与第二比例阀电连接。
S02：获取当前时刻主阀的实际位置，并通过第一比较器获取当前时刻主阀实际位置与预设位置的位置偏差；
本实施例中的预设位置，通过ydn表示。
S03：通过MPC控制器利用当前时刻的位置偏差以及阶跃动态矩阵获取当前时刻MPC控制器的输出值；
所述步骤S03中获取当前时刻MPC控制器输出值的具体方法为：
S31：通过MPC控制器的预测模型获取当前时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值；
本实施例中，步骤S31中通过预测模型获取当前时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值的具体详解为：
在k时刻(即当前时刻)，假定控制作用保持不变时，当前时刻后的N个时刻的MPC控制器输出的预测输出值可表示为i＝1,..，N；(例如在稳态起动时便可取式中y(k)为当前时刻MPC控制器的实际输出值)；
则当k时刻控制有一预设控制增量△u(k)时，即可预测出在其控制作用下k时刻后N个时刻的MPC控制器输出的预测输出值为：
式中，a为比例阀输出的阶跃响应采样值，ai为第i个时刻比例阀输出的阶跃响应采样值，为预设的预测初始输出值；
同样，在M个连续的预设控制增量△u(k),...，△u(k+M-1)作用下，预测出的k时刻后N个时刻的MPC控制器输出的预测输出值通过预测模型可表示为：
式中，M表示控制增量的个数，(k+i|k)表示在k时刻对k+i时刻的预测，j为初始值等于1的常数，为k时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值。
S32：根据当前时刻后各时刻MPC控制器的预测输出值以及阶跃动态矩阵利用MPC控制器的滚动优化法获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量；
所述步骤S32中获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量的公式表达式为：
式中，K为当前时刻，M为控制时域，p为滚动优化的优化时域，A为阶跃动态矩阵，Q为预设误差权矩阵，R为预设控制权矩阵，w为MPC控制器的输出期望值，wp(k)为优化时域内当期时刻MPC控制器的输出期望值，为通过优化时域内各时刻MPC控制器的预测输出值得到的当前时刻的预测输出值，△uM(k)为当前时刻MPC控制器输出值的控制增量。
本实施例中，步骤S31中利用MPC控制器的滚动优化法获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量的具体详解为：
首先，需要说明的是，滚动优化法的主要目的是通过预测模型中获取的MPC控制器输出的预测输出值来优化预测模型中的预设控制增量，并通过优化后的预设控制增量利用反馈校正法来修正MPC控制器输出的预测输出值，以使得预测输出值尽可能的接近预设的预测输出期望值，从而减轻位置控制过程中的扰动与振动；
如图3所示，MPC是一种以优化确定控制策略的算法，图中T表示阶跃响应的采样周期，t表示时间，表示k时刻后的第2个时刻的MPC控制器输出的预测输出值，w(k+2)表示k时刻后的第2个时刻的MPC控制器输出的预测输出值所对应的预测输出期望值；△u(k)表示k时刻的预设控制增量，u(k)表示MPC控制器的实际输出值；在k时刻，要确定从该时刻起的N个时刻所对应的M个控制增量△u(k),...，△u(k+M-1)，使被控对象在控制增量作用下未来P个时刻的MPC控制器输出的预测输出值/>尽可能接近预设的预测输出期望值w(k+i)，i＝1,....,P；这里，M、P分别称为控制时域与优化时域，通常规定M≤P≤N；
在控制过程中，存在预设控制增量Δu变化过于剧烈的问题，这一问题可通过在优化性能指标中加入软约束以对预设控制增量进行滚动优化来解决，因此，k时刻的优化性能指标可取为：
式中，r和q均为预设的权系数，它们分别表示对跟踪误差及控制量变化的抑制，w为预设参考目标，minJ(k)为k时刻的优化性能指标；
在不考虑约束的情况下，上述问题就是以△uM(k)＝[△u(k)...△u(k+M-1)]T为优化变量在预测模型(式2)下使性能指标(式3)最小的优化问题；为了求解这一优化问题，首先可利用预测模型(式2)导出其与优化性能指标之间的关系，这一关系可用向量形式写为：
式中：
其中，A是由阶跃响应采样值ai组成的P×M阵，称为动态矩阵；为在k时刻对未来P个时刻预测的MPC控制器输出的预测输出值；/>为k时刻对未来P个时刻预设的预测初始输出值；
将性能指标(式3)整理为向量形式得到：
式中，wP(k)＝[w(k+1)…w(k+P)]T；Q＝diag(q1…qp)；R＝diag(r1…rM)；
其中，Q为由预设权系数q构成的对角阵，称为误差权矩阵；R为由预设权系数r构成的对角阵，称为误差权矩阵，wP(k)为在k时刻对未来P个时刻预设的预测输出期望值；
在k时刻，wP(k)，均为已知量，使J(k)取极小的△uM(k)可通过极值必要条件求得当前时刻MPC控制器输出值的控制增量(即将预测模型中的预设控制增量进行滚动优化后得到的控制增量)为：
本实施例中将预测模型中的预设控制增量进行滚动优化后，还包括利用优化后的控制增量获取MPC控制器的实际输出值，详解为：
式6给出了△u(k)...△u(k+M-1)的最优值，但MPC并不把它们都当作应实现的解，而只是取其中的即时控制增量△u(k)构成MPC控制器的实际输出值，实际输出值的表达式为：u(k)＝u(k-1)+△u(k)；到下一时刻，通过循环上述方法求出Δu(k+1)；根据式6，k时刻MPC控制器的实际输出值可以表示为：
式中，P维行向量dT称为控制向量，其表达式为：
dT＝cT(ATQA+R)-1ATQ[d1…dP] (式8)；
M维行向量cT＝(10…0)，表示取首元素的运算；一旦优化策略确定(即P、M、Q、R已定)，则dT可一次离线算出。
S33：通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量利用MPC控制器的反馈校正法获取下一时刻的MPC控制器的输出校正值；
所述步骤S33中获取下一时刻MPC控制器的输出校正值的公式表达式为：
式中，S为预设位移矩阵，为通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量得到的下一时刻MPC控制器的预测修正值，/>为下一时刻MPC控制器的输出校正值。
本实施例中，利用MPC控制器的滚动优化法获取到当前时刻MPC控制器输出值的控制增量(即将预测模型中的预设控制增量进行滚动优化后得到的控制增量)，并通过优化后控制增量得到k时刻MPC控制器的实际输出值后，进入到步骤S33，步骤S33中利用MPC控制器的反馈校正法获取下一时刻MPC控制器的输出校正值的具体详解为：
当k时刻把u(k)实际加于对象时，相当于在对象输入端加上了一个幅值为△u(k)的控制增量，其可表示为：
式中，为k时刻对未来N个时刻预设的预测初始输出值，/>为k时刻对未来N个时刻预测的MPC控制器的预测输出值，式9实际上就是式1的向量形式。然而，由于实际存在模型失配、环境干扰等未知因素，由式9给出的预测值有可能偏离实际值。为此，在MPC中，到下一采样时刻首先要检测对象的实际输出y(k+1)，并把它与由式9算出的预测输出值相比较，构成输出误差，误差表达式为：
式中，e(k+1)为输出误差值；
可采用对e(k+1)加权的方式修正对未来MPC控制器的预测输出值的预测：
式中，为下一时刻MPC控制器的预测修正值；h为权系数组成的N维向量称为校正向量，可表示为h＝[h1…hN]T；
在k+1时刻，由于时间基点的变动，预测的未来时间点也将移到k+2，…，k+1+N，因此，的元素还需通过移位才能成为k+1时刻的MPC控制器的输出校正值，移位表达式为：
而由于模型的截断，可由/>近似，这一输出校正值的设置可用向量形式表示为：
式中，S为位移矩阵，可表示为：
为下一时刻MPC控制器的输出校正值。
S34：根据下一时刻的MPC控制器的输出校正值获取当前时刻MPC控制器的输出值。
S04：获取当前时刻比例阀的阀后压力，并通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻比例阀的阀后压力偏差；
所述步骤S04的具体方法包括步骤：
S41：获取当前时刻第一比例阀与第二比例阀的阀后压力；
S42：通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第一比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差；通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第二比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差。
S05：通过当前时刻比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻PID控制器的输出值；
所述步骤S05中获取当前时刻PID控制器输出值的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
通过当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
具体地说，步骤S05中获取当前时刻PID控制器输出值的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差利用第一PID控制器获取当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
通过当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差利用第二PID控制器获取当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
所述步骤S05中获取当前时刻第一比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，Kp为预设比例系数，e1(k)为当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差，e1(k-1)表示上一时刻第一比例阀的阀后压力偏差，i为初始值等于0的常数，T为阶跃响应采样的周期，Ti为预设积分常数，e1(i)为第i时刻第一比例阀的阀后压力偏差，Td为预设微分常数，u1(k-1)为上一时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值，u1(k)为当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
获取当前时刻第二比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，e2(k)为当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(k-1)表示上一时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(i)为第i时刻第二比例阀的阀后压力偏差，u2(k-1)为上一时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值，u2(k)为当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
S06：根据当前时刻PID控制器的输出值利用比例阀调节主阀的位置。
所述步骤S06中调节主阀位置的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀与第二比例阀对应的PID控制器输出值调整第一比例阀与第二比例阀的阀后压力以调节主阀的位置。
所述控制器还包括位移传感器、第一压力传感器与第二压力传感器；
所述位移传感器与主阀电连接，用于实时获取主阀的实际位置；
所述第一压力传感器与第一比例阀电连接，用于获取第一比例阀的阀后压力；所述第二压力传感器与第二比例阀电连接，用于获取第二比例阀的阀后压力。
实施例二
如图1所示，一种控制器的主阀位置控制方法，所述控制器包括第一比较器、MPC控制器、第二比较器、PID控制器、比例阀、主阀；所述第一比较器与MPC控制器电连接，MPC与第二比较器电连接，第二比较器与PID控制器电连接，PID控制器与比例阀电连接，比例阀与主阀液动连接；所述控制方法包括步骤：
S01：获取当前时刻比例阀输出的阶跃响应采样值，通过阶跃响应采样值构建比例阀的阶跃响应模型向量，并根据阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵；
所述比例阀包含第一比例阀与第二比例阀；所述步骤S01中构建阶跃动态矩阵的具体步骤为：
S11：根据阶跃响应采样获取第一比例阀与第二比例阀输出的阶跃响应采样值；
S12：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应采样值分别获取其对应的阶跃响应模型向量；
S13：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵。
S02：获取当前时刻主阀的实际位置，并通过第一比较器获取当前时刻主阀实际位置与预设位置的位置偏差；
S03：通过MPC控制器利用当前时刻的位置偏差以及阶跃动态矩阵获取当前时刻MPC控制器的输出值；
所述步骤S03中获取当前时刻MPC控制器输出值的具体方法为：
S31：通过MPC控制器的预测模型获取当前时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值；
需要说明的是，本发明中用到的预测模型服务于算法运算过程中的优化运算过程，其主要功能是以目标对象过去的信息与假设的未来信息为基础，对目标对象未来的理论状态与未来的理论输出进行预测，在不同的控制方法下，算法均可以预测出***未来时刻的理论状态与理论输出，将其代入***的约束条件与相应的性能指标中进行运算，进而可以判断出不同控制策略的优劣。
S32：根据当前时刻后各时刻MPC控制器的预测输出值以及阶跃动态矩阵利用MPC控制器的滚动优化法获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量；
所述步骤S32中获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量的公式表达式为：
式中，K为当前时刻，M为控制时域，p为滚动优化的优化时域，A为阶跃动态矩阵，Q为预设误差权矩阵，R为预设控制权矩阵，w为MPC控制器的输出期望值，wp(k)为优化时域内当期时刻MPC控制器的输出期望值，为通过优化时域内各时刻MPC控制器的预测输出值得到的当前时刻的预测输出值，△uM(k)为当前时刻MPC控制器输出值的控制增量。
S33：通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量利用MPC控制器的反馈校正法获取下一时刻的MPC控制器的输出校正值；
需要说明的是，在工业过程控制的应用中，预测控制算法是以在有限时域内建立滚动优化的方法，来实现工业环境下的控制运算。每一个采样时刻，这一时刻的优化性能指标只覆盖从这一时刻起的限定时域，进而可以转换为一个以未来有限控制量为优化控制量的开环优化控制问题。在计算出这些控制量后，预测控制仅将该时刻的控制量应用于目标对象，到了下一个采样周期时，则将这一时刻的优化时域随着时间的前进向前滚动，以此为基础可以得出预测控制算法中的优化运算不是在一次运算中直接在线状态下完成的，而是随着时间的推移在反复进行运算的。
所述步骤S33中获取下一时刻MPC控制器的输出校正值的公式表达式为：
式中，S为预设位移矩阵，为通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量得到的下一时刻MPC控制器的预测修正值，/>为下一时刻MPC控制器的输出校正值。
S34：根据下一时刻的MPC控制器的输出校正值获取当前时刻MPC控制器的输出值。
需要说明的是，在每一个采样时刻中，首先检测控制对象的实时状态，然后将这一反馈信息直接作用到下一时刻的预测与优化中，使得下一时刻对于输出的预测和优化运算过程建立在***实际运行状态之上，这一过程称之为反馈校正。
本发明采用PID-MPC复合控制，其中，PID-MPC复合控制中包含内环控制与外环控制，其中内环控制采用PID控制，用来抑制实际工控环境中外界干扰对***的影响效果，外环控制采用多变量动态矩阵控制(MPC)，使得***获得最优控制与分配效果，这种方法可以有效提升预测控制***的性能。
S04：获取当前时刻比例阀的阀后压力，并通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻比例阀的阀后压力偏差；
所述步骤S04的具体方法包括步骤：
S41：获取当前时刻第一比例阀与第二比例阀的阀后压力；
S42：通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第一比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差；通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第二比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差。
S05：通过当前时刻比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻PID控制器的输出值；
所述步骤S05中获取当前时刻PID控制器输出值的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
通过当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
所述步骤S05中获取当前时刻第一比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，Kp为预设比例系数，e1(k)为当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差，e1(k-1)表示上一时刻第一比例阀的阀后压力偏差，i为初始值等于0的常数，T为阶跃响应采样的周期，Ti为预设积分常数，e1(i)为第i时刻第一比例阀的阀后压力偏差，Td为预设微分常数，u1(k-1)为上一时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值，u1(k)为当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
获取当前时刻第二比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，e2(k)为当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(k-1)表示上一时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(i)为第i时刻第二比例阀的阀后压力偏差，u2(k-1)为上一时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值，u2(k)为当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
S06：根据当前时刻PID控制器的输出值利用比例阀调节主阀的位置。
本发明是以主阀位置为控制目标的串级控制方法，该方法涉及的位置串级控制***实际形成了两个回路，一个是主阀位置控制回路，一个是比例阀控制回路，主阀位置控制回路为主环，以主阀位置为主环控制对象；比例阀控制回路为副环，以比例阀为副环控制对象；在位置控制过程中，作为副环的比例阀控制回路会迅速克服被控过程中使***变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动，使二次扰动对主环控制回路的影响微乎其微，之后，作为主环的主阀位置控制回路对副环没有完全克服掉的干扰进行进一步消除，整个控制过程位置变化幅度小且稳定，大幅提高了***的响应速度、控制精度和稳定性。
所述步骤S06中调节主阀位置的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀与第二比例阀对应的PID控制器输出值调整第一比例阀与第二比例阀的阀后压力以调节主阀的位置。
所述控制器还包括位移传感器、第一压力传感器与第二压力传感器；
所述位移传感器与主阀电连接，用于实时获取主阀的实际位置；
所述第一压力传感器与第一比例阀电连接，用于获取第一比例阀的阀后压力；所述第二压力传感器与第二比例阀电连接，用于获取第二比例阀的阀后压力。
本发明通过PID控制器与MPC控制器的结合调节主阀的位置，使控制***具有很强的预测控制和自适应能力，解决了位置控制过程中扰动大、***振荡的问题，大幅提高了控制精度和鲁棒性。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述控制器包括第一比较器、MPC控制器、第二比较器、PID控制器、比例阀、主阀；所述第一比较器与MPC控制器电连接，MPC与第二比较器电连接，第二比较器与PID控制器电连接，PID控制器与比例阀电连接，比例阀与主阀液动连接；所述控制方法包括步骤：
S01：获取当前时刻比例阀输出的阶跃响应采样值，通过阶跃响应采样值构建比例阀的阶跃响应模型向量，并根据阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵；
S02：获取当前时刻主阀的实际位置，并通过第一比较器获取当前时刻主阀实际位置与预设位置的位置偏差；
S03：通过MPC控制器利用当前时刻的位置偏差以及阶跃动态矩阵获取当前时刻MPC控制器的输出值；
所述步骤S03中获取当前时刻MPC控制器输出值的具体方法为：
S31：通过MPC控制器的预测模型获取当前时刻后各时刻的MPC控制器的预测输出值；
S32：根据当前时刻后各时刻MPC控制器的预测输出值以及阶跃动态矩阵利用MPC控制器的滚动优化法获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量；
所述步骤S32中获取当前时刻MPC控制器输出值的控制增量的公式表达式为：
式中，K为当前时刻，M为控制时域，p为滚动优化的优化时域，A为阶跃动态矩阵，Q为预设误差权矩阵，R为预设控制权矩阵，w为MPC控制器的输出期望值，wp(k)为优化时域内当期时刻MPC控制器的输出期望值，为通过优化时域内各时刻MPC控制器的预测输出值得到的当前时刻的预测输出值，ΔuM(k)为当前时刻MPC控制器输出值的控制增量；
S33：通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量利用MPC控制器的反馈校正法获取下一时刻的MPC控制器的输出校正值；
所述步骤S33中获取下一时刻MPC控制器的输出校正值的公式表达式为：
式中，S为预设位移矩阵，为通过当前时刻MPC控制器输出值的控制增量得到的下一时刻MPC控制器的预测修正值，/>为下一时刻MPC控制器的输出校正值；
S34：根据下一时刻的MPC控制器的输出校正值获取当前时刻MPC控制器的输出值；
S04：获取当前时刻比例阀的阀后压力，并通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻比例阀的阀后压力偏差；
S05：通过当前时刻比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻PID控制器的输出值；
S06：根据当前时刻PID控制器的输出值利用比例阀调节主阀的位置。
2.根据权利要求1所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述比例阀包含第一比例阀与第二比例阀；所述步骤S01中构建阶跃动态矩阵的具体步骤为：
S11：根据阶跃响应采样获取第一比例阀与第二比例阀输出的阶跃响应采样值；
S12：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应采样值分别获取其对应的阶跃响应模型向量；
S13：根据第一比例阀与第二比例阀的阶跃响应模型向量构建阶跃动态矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述步骤S04的具体方法包括步骤：
S41：获取当前时刻第一比例阀与第二比例阀的阀后压力；
S42：通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第一比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差；通过当前时刻MPC控制器的输出值与当前时刻第二比例阀的阀后压力利用第二比较器获取当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差。
4.根据权利要求3所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述步骤S05中获取当前时刻PID控制器输出值的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
通过当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差利用PID控制器获取当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
5.根据权利要求4所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述步骤S06中调节主阀位置的具体方法为：
通过当前时刻第一比例阀与第二比例阀对应的PID控制器输出值调整第一比例阀与第二比例阀的阀后压力以调节主阀的位置。
6.根据权利要求5所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述步骤S05中获取当前时刻第一比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，Kp为预设比例系数，e1(k)为当前时刻第一比例阀的阀后压力偏差，e1(k-1)表示上一时刻第一比例阀的阀后压力偏差，i为初始值等于0的常数，T为阶跃响应采样的周期，Ti为预设积分常数，e1(i)为第i时刻第一比例阀的阀后压力偏差，Td为预设微分常数，u1(k-1)为上一时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值，u1(k)为当前时刻第一比例阀对应的PID控制器输出值；
获取当前时刻第二比例阀对应PID控制器输出值的公式表达式为：
式中，e2(k)为当前时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(k-1)表示上一时刻第二比例阀的阀后压力偏差，e2(i)为第i时刻第二比例阀的阀后压力偏差，u2(k-1)为上一时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值，u2(k)为当前时刻第二比例阀对应的PID控制器输出值。
7.根据权利要求2所述的一种控制器的主阀位置控制方法，其特征在于，所述控制器还包括位移传感器、第一压力传感器与第二压力传感器；
所述位移传感器与主阀电连接，用于实时获取主阀的实际位置；
所述第一压力传感器与第一比例阀电连接，用于获取第一比例阀的阀后压力；所述第二压力传感器与第二比例阀电连接，用于获取第二比例阀的阀后压力。
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