基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，包括主控制对象和副控制对象，其中主控制对象由主控制器控制，副控制对象由副控制器控制，所述主控制器和副控制器均采用预测PI控制器，所述主控制器是基于副回路的闭环传递函数和主控制对象的传递函数的乘积来设计的；所述副回路的闭环传递函数为一阶加纯滞后的模型，与主控制对象串级成二阶加纯滞后模型。本发明专利技术能够提升系统抗干扰性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法
本专利技术涉及流程工业控制
，特别是涉及一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法。
技术介绍
多容系统广泛存在化工、石化、污水处理等流程工业中，在实际工业控制中，多数仍使用传统的PID控制器进行控制。由于多容系统往往有大惯性、非线性、滞后性且伴随着大量的扰动影响等特点，应用传统控制方案虽然能满足基本的工业需求，但不可避免存在控制品质较差、鲁棒性较差等缺点。随着现代工业生产对产品质量、加工精度及能源消耗控制等因素的要求越来越严格，简单的单回路控制系统以及基于传统PID控制器的控制算法已经开始变得难以适应不断发展的工业需求，因此研究多容系统的新型控制方案具有重要的实际意义。同时，在流程工业
，对于具有大惯性、大时滞以及强非线性的对象，使用传统PID控制器存在响应时间长，超调量大，稳态误差较大等不足，且当有外界干扰作用于控制系统或对象的模型参数发生变化时，鲁棒性能不佳，导致输出无法满足控制要求甚至发散。近年来，国内外的一些学者提出了一系列较为复杂的先进控制理论，其中预测PI算法是一种非线性的控制算法，具有预测功能，对具有非线性特性、大时滞的对象有较好的控制效果，且控制器结构简单、参数易于整定。在烟草、钢铁、化工等工业过程中，一些改进后的控制算法如Smith预估控制算法、内模控制算法等已经部分应用于对大惯性、大滞后、非线性对象的控制。另外，国内外学者提出了一系列智能控制包括神经网络控制、模糊控制、遗传算法控制等，主要用来解决非线性、复杂系统的控制问题，但其控制性能仍有不足、适用范围较小、算法复杂程度高。因此，对此类控制对象的控制问题仍是流程工业控制环节的难点问题。双容水箱系统是一种典型非线性、滞后系统，由于实际工业生产中许多对象都可用双容水箱系统近似描述，因此对双容水箱的系统的研究可以推广到实际工业的应用。对于双容系统，采用单回路控制难以满足控制性能要求，复杂控制在工业中逐渐得到应用，串级控制便是其中重要的一种。串级控制系统在单回路的基础上增加一条副控制回路，该系统采用两个或者两个以上控制器，且控制器之间相互串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，其中主控制回路可看作一个定值控制系统，副控制回路可看作一个随动控制系统。相对于单回路控制，串级控制提高了系统的工作频率，提升了系统的动态性能，同时对干扰有更好的抑制作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，能够提高系统的抗干扰性和鲁棒性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，其中，串级控制系统包括主控制对象和副控制对象，其中主控制对象由主控制器控制，副控制对象由副控制器控制，所述主控制器和副控制器均采用预测PI控制器，所述主控制器是基于副回路的闭环传递函数和主控制对象的传递函数的乘积来设计的；所述副回路的闭环传递函数为一阶加纯滞后的模型，与主控制对象串级成二阶加纯滞后模型。所述双容控制系统的输入输出关系为：其中，τ1和τ2分别为主控制对象的滞后时间和副控制对象的滞后时间，Kp1为主控制对象的增益，T1和T2分别为主控制对象的积分时间常数和副控制对象的积分时间常数，E(s)为输入与输出之间的偏差，U(s)为输出，λ2,λ11,λ12为可调参数。所述主控制器的传递函数为所述副控制器的传递函数为其中，Kp1和Kp2分别为主控制对象的增益和副控制对象的增益，T1和T2分别为主控制对象的积分时间常数和副控制对象的积分时间常数，τ1和τ2分别为主控制对象的滞后时间和副控制对象的滞后时间，λ2,λ11,λ12为可调参数。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术将预测PI与串级控制结合实现对双容系统的控制，预测控制器的预测功能提升系统抗干扰性和鲁棒性。控制系统能够迅速达到稳定值，响应速度很快，无超调量，无稳态误差。当加入干扰或者发生模型失配时，系统能够迅速恢复到原稳定状态，具有良好的控制性能。附图说明图1为预测PI控制器的结构图；图2为串级控制系统的结构图；图3为基于预测PI的串级控制系统结构图；图4为本专利技术方法控制下双容水箱系统阶跃响应曲线图；图5为本专利技术方法控制下双容水箱系统对副回路干扰响应曲线图；图6为本专利技术方法控制下双容水箱系统对主回路干扰响应曲线图；图7为本专利技术方法控制下双容水箱系统模型失配下的系统响应曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术的实施方式涉及一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，其中，串级控制系统包括主控制对象和副控制对象，其中主控制对象由主控制器控制，副控制对象由副控制器控制，所述主控制器和副控制器均采用预测PI控制器，所述主控制器是基于副回路的闭环传递函数和主控制对象的传递函数的乘积来设计的；所述副回路的闭环传递函数为一阶加纯滞后的模型，与主控制对象串级成二阶加纯滞后模型。该控制方法将预测PI控制器用于串级控制系统中主、副回路的控制，以取代原先应用的传统PID控制器。原先应用于串级控制系统中主、副响应回路控制的传统PID控制器，在处理具有大滞后、大惯性、非线性的被控对象时，系统响应时间长，超调较大，调节过程振荡较多，其控制性能性能难以适应流程工业过程的实际需求。本专利技术的原理是：(1)预测PI控制器与串级控制系统结合利用预测PI控制器对对来输出的预测功能将这一控制器应用到串级控制系统的主、副响应回路的控制过程中，对类似不止一个被控对象或者一个被控对象有多个参数需要控制的系统进行控制，提升系统的控制性能，满足工业生产安全性与经济性的要求。(2)预测PI控制器。假定工业过程对象模型等效为一阶加纯滞后模型，对象传递函数如下：设期望的闭环传递函数为：其中，λ是用于调整系统闭环响应速度的参数：当λ＝1时，系统的开环与闭环的时间常数一致；当λ＞1时，系统的闭环响应比开环响应慢；当λ＜1时，系统的闭环响应比开环响应快。推导出控制器的传递函数为：式中，G(s)表示期望的闭环传递函数，Gc(s)表示控制器传递函数，Gp(s)表示过程对象，kp表示过程增益，λ表示可调参数。控制器的输入输出关系为：其中，E(s)表示系统输出与设定值的误差，U(s)表示控制器的输出，等式右边第一项是PI控制器，第二项是预测控制器。根据图1所示的预测PI控制系统结构图，可以推导出Gc1(s)和Gc2(s)分别为：类似的，假定工业过程对象模型等效为二阶加纯滞后模型，对象传递函数如下：假设所期望的系统闭环传递函数为：其中λ1，λ2是可调参数，影响系统的闭环响应速度。推导出控制器的传递函数为：控制器的输入输出关系为：其中，等式右边的第一项具有PI控制器的结构形式，第二项为预测部分。(3)串级控制系统。串级控制系统是在单回路控制系统的基础上增加一条副控制回路而成的。由于控制系统采用不止一个控制器，主控制器与副控制器之间相串接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，包括主控制对象和副控制对象，其中主控制对象由主控制器控制，副控制对象由副控制器控制，其特征在于，所述主控制器和副控制器均采用预测PI控制器，所述主控制器是基于副回路的闭环传递函数和主控制对象的传递函数的乘积来设计的；所述副回路的闭环传递函数为一阶加纯滞后的模型，与主控制对象串级成二阶加纯滞后模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，包括主控制对象和副控制对象，其中主控制对象由主控制器控制，副控制对象由副控制器控制，其特征在于，所述主控制器和副控制器均采用预测PI控制器，所述主控制器是基于副回路的闭环传递函数和主控制对象的传递函数的乘积来设计的；所述副回路的闭环传递函数为一阶加纯滞后的模型，与主控制对象串级成二阶加纯滞后模型。2.根据权利要求1所述的基于预测PI与串级控制相结合的双容系统控制方法，其特征在于，所述双容控制系统的输入输出关系为：其中，τ1和τ2分别为主控制对象的滞后时间和副控制对象的滞后...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴珊珊，任正云，文盼，聂飞虎，陈安钢，范志平，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31