CN117193085A - 一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,包括:测量单元,用于测量被控对象的实际值,得到被控对象的实际值PV,并将实际值PV信号送入控制单元;设定单元,用于接收模拟量闭环控制的目标设定值SP,并将设定值SP信号送入控制单元;控制单元,用于接收实际值PV信号、设定值SP信号,产生控制指令输出信号AO,并将AO信号送入执行单元;执行单元,用于接收输出信号AO,根据输出信号AO调整控制***的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。本发明能够自动判断***的稳定状态,以快速消除控制***遇到外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
Description
技术领域
本发明属于热工自动化控制领域中的模拟量闭环控制***领域,具体涉及一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***。
背景技术
闭环控制***是一种具有反馈回路的控制***,也被称为反馈控制***。它通过将被控对象的输出与期望输出进行比较,并根据比较结果调整控制器的输出,以实现对***的稳定控制和精确调节。
如果控制***的反馈具有较大的惯性延迟和纯延迟,使用传统的控制方式可能会受到一些限制,无法达到理想的调节效果。这是因为常规控制方式(例如比例-积分-微分控制器:PID控制)通常假设被控制对象具有快速响应和线性特性。惯性延迟会导致***的响应时间变长,而纯延迟则会引入相位滞后,这两个因素都会对控制器的性能造成影响。
在面对具有大惯性延迟和纯延迟的***时,可能需要采用其他的控制策略,例如先导控制(feedforward control)、模型预测控制(model predictive control)或者模糊控制(fuzzy control)。这些控制策略可以更好地处理延迟,并提供更好的调节效果。
同时,现代控制技术中也有一些针对具有延迟的***的专门算法和方法,例如Smith预估器、内模控制等。这些方法可以针对具体的***特性进行设计,提高控制器的性能。
发明内容
对于具有大的惯性延迟和纯延迟的***,常规控制方式可能无法满足要求,需要使用其他的控制策略或专门算法来获得更好的调节效果。本发明的目的在于提供了一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***。
本发明采用如下技术方案来实现的:
一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,包括:
测量单元,用于测量被控对象的实际值,得到被控对象的实际值PV,并将实际值PV信号送入控制单元;
设定单元,用于接收模拟量闭环控制的目标设定值SP,并将设定值SP信号送入控制单元;
控制单元,用于接收实际值PV信号、设定值SP信号,产生控制指令输出信号AO,并将AO信号送入执行单元;
执行单元,用于接收输出信号AO,根据输出信号AO调整控制***的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
本发明进一步的改进在于,控制单元内部参数设计有如下9个:控制***执行周期时间Clt、预估器作用系数Kp、预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE、PID比例系数Kp_PID、PID积分时间Ti_PID、PID微分系数Kd_PID以及PID控制方向DR_PID;
控制***执行周期时间Clt为由控制***决定的***参数;预估器作用系数Kp为控制参数;预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE为辅助控制参数;DR_PID、Kp_PID、Ti_PID、Kd_PID为PID控制器参数。
本发明进一步的改进在于,控制单元的内部参数满足以下条件:控制***执行周期时间Clt为正实数;预估器作用系数Kp为正实数、负实数或0;预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti为正实数或0;预估稳定误差SE为正实数;PID比例系数Kp_PID、PID微分系数Kd_PID为正实数或0;PID积分时间Ti_PID为正实数,PID控制方向DR_PID为0或1。
本发明进一步的改进在于,控制单元的内部的控制参数的默认值为:预估器作用系数Kp的默认值为0;预估器微分时间Td的默认值为3;预估器惯性时间Ti的默认值为10;预估稳定误差SE的默认值为0.001;PID控制方向DR_PID默认值为0;PID比例系数Kp_PID默认值为0;PID微分系数Kd_PID默认值为0;PID积分时间Ti_PID默认值为1000。
本发明进一步的改进在于,控制单元包括:初始化单元INU、预测补偿单元PCU、稳态消偏单元STE及PID控制单元PIDU;
初始化单元INU接收控制***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO,产生第一个执行周期、第二个执行周期的控制***中间变量及输出信号AO;预测补偿单元PCU接收初始化单元INU产生的中间输出信号、***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA;稳态消偏单元STE接收预测补偿单元PCU产生的中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA、***测量单元MU输出的测量信号PV及设定单元输出的设定值SP信号产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PC;PID控制单元接收设定单元输出的设定值SP信号、预测补偿单元及稳态消偏单元产生的被调量信号PV_PC,经过PID控制算法运算得输出信号AO,此信号作为到控制单元的输出信号,并送至执行单元AU以影响被控对象的实际值PV。
本发明进一步的改进在于,预测补偿单元PCU的各控制周期的被调量信号PV_PCA具有以下功能:
1)根据实际被调量变化趋势实现被调量的动态补偿功能;
2)根据***输出指令AO的变化趋势实现被调量的动态预测功能。
本发明进一步的改进在于,***判断补偿后的被调量信号PV_PCA已经稳定至设定值时,若补偿后的被调量信号PV_PCA与测量单元MU输出的测量信号PV有偏差,稳态消偏单元STE输出的自动用实际被调量PV信号代替补偿后的被调量信号PV_PCA,生成补偿后的被调量信号PV_PC,以消除不是指令变化的原因而是控制***外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
本发明进一步的改进在于,控制单元的内部的预估器作用系数Kp决定控制***的预估补偿作用效果;当预估器作用系数Kp的绝对值越大时,预测补偿单元PCU的作用越强;当预估器作用系数Kp的绝对值越小时,预测补偿单元PCU的作用越小;当预估器作用系数Kp为0时,预测补偿单元PCU不起作用,补偿后的被调量信号PV_PC等于实际被调量信号PV;当预估器作用系数Kp设置值超过具有惯性延迟和纯延迟***实际需要的值时,补偿后的被调量信号PV_PC变化大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后的实际变化量;此时由于PID控制器作用,将补偿后的被调量信号PV_PC稳定在需要的测量值附近时,实际被调量PV会缓慢趋向变化至需要的测量值;根据实际被调量PV、补偿后的被调量信号PV_PC的曲线趋势调整预估器作用系数Kp,当预估器作用系数Kp设置为大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后作用的系数值时,补偿后的被调量信号PV_PC经过PID控制超出设定值的过调,由于实际被调量PV的变化较为平缓,故实际被调量PV会更为贴近设定值,即可减少实际被调量的PID过调效果。
本发明至少具有如下有益的技术效果:
1、本发明根据实际被调量变化趋势及***输出指令的变化趋势动态预测及补偿实际被调量,得到补偿后的被调量信号PV_PC。以补偿后的被调量信号PV_PC作为PID控制器的输入信号,能够到达较好动态调节效果。
2、本发明可自动判断***的稳定状态,以快速消除控制***遇到外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
3、本发明具有较好的稳定性,当预估器作用系数Kp设置为大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后作用的系数值时,可减少实际被调量的PID过调效果。
附图说明
图1为一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***的功能构成示意图。
图2为一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制方法的流程图。
图3为一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***的对某指令到反馈具有纯惯性延时特性的某***的控制输出曲线。
图4为一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***的对某指令到反馈具有纯延时特性的某***的控制输出曲线。
图5为一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***的对某指令到反馈具有惯性延时叠加纯延时特性的某***的控制输出曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示,本发明提供的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,包括:
测量单元,测量单元用于测量被控对象的实际值,例如温度传感器、压力传感器等,得到被控对象的实际值PV,并将实际值PV信号送入控制单元。
设定单元,设定单元接收模拟量闭环控制的目标设定值SP,并将设定值SP信号送入控制单元。
控制单元,接收实际值PV信号、设定值SP信号,由控制单元产生控制指令输出信号AO,并将AO信号送入执行单元。
执行单元,接收输出信号AO,根据输出信号AO调整控制***的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。针对某一具体闭环控制***,执行单元的操控对象可以是电动阀门、电机等,如具体调整电动阀门的开度、电机的转速等。
其中,控制单元内部参数设计有如下9个:控制***执行周期时间Clt、预估器作用系数Kp、预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE、PID比例系数Kp_PID、PID积分时间Ti_PID、PID微分系数Kd_PID、PID控制方向DR_PID。其中控制***执行周期时间Clt为由控制***决定的***参数。预估器作用系数Kp为主要控制参数。预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE为辅助控制参数。DR_PID、Kp_PID、Ti_PID、Kd_PID为PID控制器参数。
控制单元的内部参数满足以下条件:控制***执行周期时间Clt为正实数。预估器作用系数Kp可为正实数、负实数或0;预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti为正实数或0;预估稳定误差SE为正实数;PID比例系数Kp_PID、PID微分系数Kd_PID为正实数或0;PID积分时间Ti_PID为正实数,PID控制方向DR_PID为0或1。
控制单元的内部的控制参数的默认值为:预估器作用系数Kp的默认值为0;预估器微分时间Td的默认值为3;预估器惯性时间Ti的默认值为10;预估稳定误差SE的默认值为0.001;PID控制方向DR_PID默认值为0;PID比例系数Kp_PID默认值为0;PID微分系数Kd_PID默认值为0;PID积分时间Ti_PID默认值为1000。可针对不同具体控制对象修改主要控制参数、辅助控制参数来达到理想效果。
控制单元包括:初始化单元INU、预测补偿单元PCU、稳态消偏单元STE及PID控制单元PIDU。其中初始化单元INU接收控制***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO,产生第一个执行周期、第二个执行周期的控制***中间变量及输出信号AO。预测补偿单元PCU接收初始化单元INU产生的中间输出信号、***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA。稳态消偏单元STE接收预测补偿单元PCU产生的中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA、***测量单元MU输出的测量信号PV及设定单元输出的设定值SP信号产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PC。PID控制单元接收设定单元输出的设定值SP信号、预测补偿单元及稳态消偏单元产生的被调量信号PV_PC,经过PID控制算法运算得输出信号AO,此信号作为到控制单元的输出信号,并送至执行单元AU以影响被控对象的实际值PV。
初始化单元INU接收控制***测量单元MU输出的测量信号PV、执行单元AU的实际指令,产生第一个执行周期、第二个执行周期的控制***输出信号AO及其他中间变量。
预测补偿单元PCU接收信号处理单元DSP产生的中间输出信号产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA。预测补偿单元PCU的各控制周期的预测值PV_PCA各具有以下功能:
1)根据实际被调量变化趋势实现被调量的动态补偿功能;
2)根据***输出指令AO的变化趋势实现被调量的动态预测功能。
稳态消偏单元STE接收预测补偿单元PCU产生的中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA、***测量单元MU输出的测量信号PV及设定单元输出的设定值SP信号产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PC。其主要功能为***判断补偿后的被调量信号PV_PCA已经稳定至设定值时,若补偿后的被调量信号PV_PCA与测量单元MU输出的测量信号PV有偏差,稳态消偏单元STE输出的自动用实际被调量PV信号代替补偿后的被调量信号PV_PCA,生成补偿后的被调量信号PV_PC,以快速消除不是指令变化的原因而是控制***外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
控制单元的内部的主要控制参数预估器作用系数Kp决定控制***的预估补偿作用效果。当预估器作用系数Kp的绝对值越大时,预测补偿单元PCU的作用越强。当预估器作用系数Kp的绝对值越小时,预测补偿单元PCU的作用越小。当预估器作用系数Kp为0时,预测补偿单元PCU不起作用,补偿后的被调量信号PV_PC等于实际被调量信号PV。当预估器作用系数Kp设置值超过具有惯性延迟和纯延迟***实际需要的值时,补偿后的被调量信号PV_PC变化会大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后的实际变化量。此时由于PID控制器作用,将补偿后的被调量信号PV_PC稳定在需要的测量值附近时,实际被调量PV会缓慢趋向变化至需要的测量值。即一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***也有较好的稳定性。根据实际被调量PV、补偿后的被调量信号PV_PC的曲线趋势调整预估器作用系数Kp,当预估器作用系数Kp设置为稍大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后作用的系数值时,补偿后的被调量信号PV_PC经过PID控制会有超出设定值的过调,由于实际被调量PV的变化较为平缓,故实际被调量PV会更为贴近设定值,即可减少实际被调量的PID过调效果。
如图2所示,本发明提供的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制方法,具体实现过程为:
第一步:由初始化单元对控制***初始化
初始化单元INU接收控制***测量单元MU输出的测量信号PV、执行单元AU的实际指令,产生第一个执行周期、第二个执行周期的控制***输出信号AO及其他中间变量。具体地,当一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***投入的初期,由初始化单元INU产生控制***第一个、第二个控制周期的输出值及相关中间变量。通常地,为了保证***投入初期的稳定性,***投入前执行单元AU的执行设备实际指令及测量单元MU输出的测量信号PV应为稳定值。记***投入前执行单元AU的执行设备实际指令为AUO(0),记第一个执行周期执行周期的控制***输出信号AO为AO(1),则:
AO(1)=AUO(0)。
记第一个执行周期、第二个执行周期的测量单元MU输出的测量信号PV分别为PV(1)、PV(2),记第一个执行周期、第二个执行周期的控制***中间变量PV_PCA分别为PV_PCA(1)、PV_PCA(2),则:
PV_PCA(1)=PV(1)
PV_PCA(2)=PV(2)。
第二步:预测补偿单元生成补偿后的被调量信号PV_PCA
由预测补偿单元生成补偿后的被调量信号PV_PCA,具体过程如下:
1)生成控制***中间信号指令微分信号AOD
特别地,第1个执行周期的控制***中间输出信号AOD的值AOD(1)由初始化单元INU给出,且AOD(1)=0。
记第n个执行周期的控制***中间输出信号AO分别为AO(n),第n个执行周期的中间信号指令微分信号AOD为AOD(n),则:
AOD(n)=AO(n)-Clt/(Clt+2*Td)*AO(n)+Clt/(Clt+2*Td)*AO(n-1)+(2*Td-Clt)/
(2*Td+Clt)*(AO(n-1)-AOD(n-1))(n>1)
上式中Clt为控制***参数控制***执行周期时间,Td为控制***参数预估器微分时间。
2)生成控制***中间信号指令微分信号AOD的惯性环节输出AODL
特别地,第1个执行周期的控制***中间输出信号AODL的值AODL(1)由初始化单元INU给出,且AODL(1)=0。
记第n个执行周期的中间信号指令惯性环节输出AODL为AODL(n),则:
AODL(n)=Clt/(Clt+2*Ti)*AOD(n)+Clt/(Clt+2*Ti)*AOD(n-1)+(2*Ti-Clt)/(2*Ti+Clt)*AODL(n-1))(n>1)
上式中Clt为控制***参数控制***执行周期时间,Ti为控制***参数预估器惯性时间。
3)生成补偿后的被调量信号PV_PCA
特别地,第1、2个执行周期的控制***中间输出信号PV_PCA的值PV_PCA(1)、PV_PCA(2)由初始化单元INU给出,且PV_PCA(1)=PV(1)、PV_PCA(2)=PV(2)。
记第n个执行周期的控制***中间输出信号PV_PCA的值为PV_PCA(n),则:
PV_PCA(n)=PV_PCA(n-1)+PV(n)-PV(n-1)+Kp*AODL(n)(n>2)
上式中Kp为控制***参数预估器作用系数。
第三步:稳态消偏单元生成补偿后的被调量信号PV_PC
由稳态消偏单元生成补偿后的被调量信号PV_PC,具体过程如下:
1)生成中间信号预估稳定状态PCSS判断***是否处于稳定状态
特别地,第1个执行周期的控制***中间输出信号预估稳定状态PCSS的值PCSS(1)由初始化单元INU给出,且PCSS(1)=0。
记第n个执行周期的设定单元输出的设定值SP信号的值为SP(n),记第n个执行周期的控制***中间输出信号预估稳定状态PCSS的值为PCSS(n),则:
PCSS(n)=1(n≥2;PV_PCA(n)<SP(n)+SE且PV_PCA(n)>SP(n)-SE且PV_PCA(n-1)<SP(n-1)+SE且PV_PCA(n-1)>SP(n-1)-SE)
PCSS(n)=0(n≥2;PV_PCA(n)>SP(n)+SE或PV_PCA(n)<SP(n)-SE或PV_PCA(n-1)>SP(n-1)+SE或PV_PCA(n-1)<SP(n-1)-SE)
上式中SE为控制***参数预估稳定误差。
2)生成中间信号预估稳定状态PCSS的单周期脉冲信号PCSSP
特别地,第1个执行周期的控制***中间输出信号单周期脉冲信号PCSSP的值PCSSP(1)由初始化单元INU给出,且PCSSP(1)=0。
记第n个执行周期的控制***中间输出信号单周期脉冲信号PCSSP的值为PCSSP(n),则:
PCSSP(n)=0(n≥2;PCSSP(n)=0或PCSSP(n-1)=1)
PCSSP(n)=1(n≥2;PCSSP(n)=1且PCSSP(n-1)=0)
3)生成补偿后的被调量信号PV_PC
特别地,第1、2个执行周期的控制***中间输出信号PV_PC的值PV_PC(1)、PV_PC(2)由初始化单元INU给出,且PV_PC(1)=PV(1)、PV_PC(2)=PV(2)。
记第n个执行周期的控制***中间输出信号PV_PC的值为PV_PC(n),则:
PV_PC(n)=PV_PCA(n)(n>2;PCSSP(n)=0)
PV_PC(n)=PV(n)(n>2;PCSSP(n)=1)
第四步:PID控制单元生成控制***输出指令AO
特别地,第1个执行周期的控制***输出指令AO的值AO(1)由初始化单元INU给出,详见第一步。
由第2个控制周期开始,控制***输出指令AO由PID控制单元生成。PID控制单元接收设定单元输出的设定值SP信号、预测补偿单元及稳态消偏单元产生的被调量信号PV_PC,经过PID控制算法运算得输出信号AO。
为了便于计算,设计3个中间输出信号比例环节输出AO_P、积分环节输出AO_I、微分环节输出AO_D。
特别地,第1个执行周期的控制中间输出信号比例环节输出AO_P的值AO_P(1)由初始化单元INU给出,且AO_P(1)=0。第1个执行周期的控制中间输出信号积分环节输出AO_I的值为AO_I(1)由初始化单元INU给出,且AO_I(1)=AO(1)。第1个执行周期的控制中间输出信号微分环节输出AO_D的值为AO_D(1)由初始化单元INU给出,且AO_D(1)=0。
记第n个执行周期的控制中间输出信号比例环节输出AO_P的值为AO_P(n),第n个执行周期的控制中间输出信号积分环节输出AO_I的值为AO_I(n),第n个执行周期的控制中间输出信号微分环节输出AO_D的值为AO_D(n)。则
AO_P(n)=(SP(n)-PV_PC(n))*Kp_PID(n>1;DR_PID=0)
AO_I(n)=(SP(n)-PV_PC(n))/Ti_PID+AO_I(n-1)(n>1;DR_PID=0)
AO_D(n)=Kd_PID*(SP(n)-PV_PC(n)+PV_PC(n-1)-SP(n-1))(n>1;DR_PID=0)
AO_P(n)=(PV_PC(n)-SP(n))*Kp_PID(n>1;DR_PID=1)
AO_I(n)=(PV_PC(n)-SP(n))/Ti_PID+AO_I(n-1)(n>1;DR_PID=1)
AO_D(n)=Kd_PID*(PV_PC(n)-SP(n)-PV_PC(n-1)+SP(n-1))(n>1;DR_PID=1)
上式中,DR_PID为控制***参数PID控制方向、Kp_PID为控制***参数PID比例系数、Ti_PID为控制***参数PID积分时间、Kd_PID为控制***参数PID微分系数。
记第n个执行周期的控制***输出指令AO的值为AO(n),则:
AO(n)=AO_P(n)+AO_I(n)+AO_D(n)(n>1)
对于一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,上述步骤通常以循环的方式执行,得到控制单元计算得到输出信号AO的连续输出,并将输出信号AO送至控制***执行单元至执行单元AU以影响被控对象的实际值PV,实现整个控制过程。
设计某水位控制仿真模型,通过进水调节阀控制储箱水位。在第1~500个控制周期时设置水位设定值设为30m,在第2501个控制周期后设置水位设定值设为25m。在第1~4500个控制周期时出水流量为40t/h,从第4500个控制周期后出水流量扰动到60t/h。对控制***分别设计控制指令到进水流量有200个控制周期时间的惯性延时、200个控制周期时间的惯性延时的纯延时、200个控制周期时间的惯性延时的纯延时叠加150个控制周期时间的惯性延时,这时通过常规的PID控制无法实现稳定的水位控制,使用本发明一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***进行控制,最终控制***的控制输出曲线如图3、图4、图5所示,图3~5中纵坐标表示控制***的控制周期。证明一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***具有较好的调节效果,适用于指令到反馈具有纯延时、纯惯性延时、惯性延时叠加纯延时特性三种情况。图3~5中的控制输出曲线证明一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***与方法具有较好的稳定性及动态特性,且可快速消除控制***遇到外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
对于指令到反馈具有纯延时、纯惯性延时、惯性延时叠加纯延时特性三种情况的控制***,一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***与方法可实现稳定的动态调节,且可快速消除控制***遇到外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,包括:
测量单元,用于测量被控对象的实际值,得到被控对象的实际值PV,并将实际值PV信号送入控制单元;
设定单元,用于接收模拟量闭环控制的目标设定值SP,并将设定值SP信号送入控制单元;
控制单元,用于接收实际值PV信号、设定值SP信号,产生控制指令输出信号AO,并将AO信号送入执行单元;
执行单元,用于接收输出信号AO,根据输出信号AO调整控制***的操控对象的参数以影响被控对象的实际值PV。
2.根据权利要求1所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,控制单元内部参数设计有如下9个:控制***执行周期时间Clt、预估器作用系数Kp、预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE、PID比例系数Kp_PID、PID积分时间Ti_PID、PID微分系数Kd_PID以及PID控制方向DR_PID;
控制***执行周期时间Clt为由控制***决定的***参数;预估器作用系数Kp为控制参数;预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti、预估稳定误差SE为辅助控制参数;DR_PID、Kp_PID、Ti_PID、Kd_PID为PID控制器参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,控制单元的内部参数满足以下条件:控制***执行周期时间Clt为正实数;预估器作用系数Kp为正实数、负实数或0;预估器微分时间Td、预估器惯性时间Ti为正实数或0;预估稳定误差SE为正实数;PID比例系数Kp_PID、PID微分系数Kd_PID为正实数或0;PID积分时间Ti_PID为正实数,PID控制方向DR_PID为0或1。
4.根据权利要求2所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,控制单元的内部的控制参数的默认值为:预估器作用系数Kp的默认值为0;预估器微分时间Td的默认值为3;预估器惯性时间Ti的默认值为10;预估稳定误差SE的默认值为0.001;PID控制方向DR_PID默认值为0;PID比例系数Kp_PID默认值为0;PID微分系数Kd_PID默认值为0;PID积分时间Ti_PID默认值为1000。
5.根据权利要求2所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,控制单元包括:初始化单元INU、预测补偿单元PCU、稳态消偏单元STE及PID控制单元PIDU;
初始化单元INU接收控制***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO,产生第一个执行周期、第二个执行周期的控制***中间变量及输出信号AO;预测补偿单元PCU接收初始化单元INU产生的中间输出信号、***测量单元MU输出的测量信号PV及PID控制单元输出的***控制输出信号AO产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA;稳态消偏单元STE接收预测补偿单元PCU产生的中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PCA、***测量单元MU输出的测量信号PV及设定单元输出的设定值SP信号产生中间输出信号补偿后的被调量信号PV_PC;PID控制单元接收设定单元输出的设定值SP信号、预测补偿单元及稳态消偏单元产生的被调量信号PV_PC,经过PID控制算法运算得输出信号AO,此信号作为到控制单元的输出信号,并送至执行单元AU以影响被控对象的实际值PV。
6.根据权利要求5所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,预测补偿单元PCU的各控制周期的被调量信号PV_PCA具有以下功能:
1)根据实际被调量变化趋势实现被调量的动态补偿功能;
2)根据***输出指令AO的变化趋势实现被调量的动态预测功能。
7.根据权利要求5所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,***判断补偿后的被调量信号PV_PCA已经稳定至设定值时,若补偿后的被调量信号PV_PCA与测量单元MU输出的测量信号PV有偏差,稳态消偏单元STE输出的自动用实际被调量PV信号代替补偿后的被调量信号PV_PCA,生成补偿后的被调量信号PV_PC,以消除不是指令变化的原因而是控制***外部扰动对被调量的影响而导致的稳态预测误差。
8.根据权利要求2所述的一种用于具有惯性延迟和纯延迟***的补偿预估控制***,其特征在于,控制单元的内部的预估器作用系数Kp决定控制***的预估补偿作用效果;当预估器作用系数Kp的绝对值越大时,预测补偿单元PCU的作用越强;当预估器作用系数Kp的绝对值越小时,预测补偿单元PCU的作用越小;当预估器作用系数Kp为0时,预测补偿单元PCU不起作用,补偿后的被调量信号PV_PC等于实际被调量信号PV;当预估器作用系数Kp设置值超过具有惯性延迟和纯延迟***实际需要的值时,补偿后的被调量信号PV_PC变化大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后的实际变化量;此时由于PID控制器作用,将补偿后的被调量信号PV_PC稳定在需要的测量值附近时,实际被调量PV会缓慢趋向变化至需要的测量值;根据实际被调量PV、补偿后的被调量信号PV_PC的曲线趋势调整预估器作用系数Kp,当预估器作用系数Kp设置为大于理论上***消除惯性延时及纯延时环节后作用的系数值时,补偿后的被调量信号PV_PC经过PID控制超出设定值的过调,由于实际被调量PV的变化较为平缓,故实际被调量PV会更为贴近设定值,即可减少实际被调量的PID过调效果。
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