[发明专利]嵌入式非线性脉冲协同控制器

权利要求书

1.一种嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，构成嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块，包括起产生控制偏差作用的比较环节；通过阶跃响应，辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间的辨识控制单元；承担动态变化过程的控制调节任务，利用快速调节脉冲输出，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，并使工艺变量快速接近稳态值的动态控制单元；承担消除稳态变化过程的控制偏差，依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度的稳态控制单元；根据控制系统的运行状态，负责协调辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元的工作状态，形成最终控制输出信号的协同控制单元。

2.如权利要求1所述的嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，

(1)所述的比较环节算法：

令sp(t)表示工艺设定值，b(t)表示反馈信号，e(t)表示控制偏差，则有：

e(t)＝sp(t)-b(t)            (1)

(2)所述的辨识控制单元算法：

设控制系统的被控对象，在其工作点的线性化工艺模型的传递函数为：

Gp(s)≈K1+Tse-τs---(2)]]>

其中，模型参数K，T，τ，分别是被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间，并利用阶跃响应两点辨识法得到；

首先找出两个时间点t₁，t₂，且y(t₁)＝0.384·y_ss(t)、y(t₂)＝0.632·y_ss(t)，其中，y_ss(t)是工艺变量的稳态值；

然后，根据式

T=2(t2-t1)τ=2t1-t2---(3)]]>

K=yss(t)-y0(t)uss(t)-u0(t)---(4)]]>

计算得到被控对象的模型参数，其中，y₀(t)是初始工艺变量值，u_ss(t)，u₀(t)分别是控制器的稳态和初始输出值；

因为稳定时，工艺变量的稳态值与工艺设定值相同，即y_ss(t)＝sp(t)，故由式(4)得到：

uss(t)=sp(t)-y0(t)K+u0(t)---(5)]]>

因此，只要获得被控对象的稳态放大增益系数K，则计算得到控制器的稳态输出值u_ss(t)；

(3)所述的动态控制单元算法：

由于动态控制单元要使被控对象的动态变化过程，具有较短的上升时间和较小的超调量，因此设计动态控制单元的输出变化过程，包括上升变化和下降变化两个阶段，并用u_up(t)，u_down(t)分别表示控制器脉冲输出的上升和下降变化输出值；

记控制系统的工艺设定值改变的时刻为t₀；

1)上升变化规律

设u_m(t)为当控制系统的工艺设定值改变后，在动态变化调节过程中，控制器的脉冲输出峰值；

t_m为相对于t₀时刻当控制器输出达到u_m(t)的时间；

在工艺设定值发生变化的时候，设根据式(5)得到的控制器消除控制偏差之后的稳态输出值为u_ss(t)，控制器从t＝t₀时刻的初始输出值u₀(t)迅速输出到峰值u_m(t)，相对于控制器的初始输出值u₀(t)，其变化量Δu_m(t)为：

Δu_m(t)＝u_m(t)-u₀(t)＝α·(u_ss(t)-u₀(t))           (6)

其中，α为脉冲增益系数且α＞1，并保证u_L≤Δu_m(t)≤u_ss(t)或u_ss(t)≤Δu_m(t)≤u_H，其中u_L和u_H分别表示控制器的输出低限和高限值；

为了使控制器从u₀(t)比较稳定地变化到u_m(t)，设计如式(7)所示的滤波环节：

fup(t)=1-e-1Tup(t-t0)---(7)]]>

其中，T_up为脉冲上升滤波时间常数，且T_up＜t_m，取T_up＝1～5T_s，其中T_s为采样控制周期，综合式(6)和(7)，得到脉冲输出的上升变化规律u_up(t)为：

u_up(t)＝u₀(t)+α·(u_ss(t)-u₀(t))·f_up(t)           (8)

由式(7)、(8)得知，u_up(t)在t＝t₀时刻的初始输出值为u₀(t)，其稳定变化值为u_up(t)＝u₀(t)+Δu_m(t)＝u_m(t)；

2)下降变化规律

设t_d为相对于t₀时刻当控制器输出达到u_m(t)之后开始反方向变化的时间，当控制时间t≥t₀+t_d时，控制器的输出信号又迅速地变化到近将来的稳态输出值u_ss(t)，同样为了使控制器输出较为稳定地变化到u_ss(t)，且保证一定的调节效果，设计一个如式(9)所示的滤波环节：

fdown(t)=1-e-1Tdown(t-(t0+td)).|e(t)|/|e(td)|---(9)]]>

其中，T_down为下降滤波时间常数，取T_down＝0.1～0.5T；|e(t)|为当前控制偏差的绝对值，|e(t_d)|为t＝t₀+t_d时控制偏差的绝对值；因此，脉冲下降变化规律为：

u_down(t)＝u_m(t)+(u_ss(t)-u_m(t))·f_down(t)         (10)

由式(9)、(10)得知，u_down(t)在t＝t₀+t_d时刻的初始输出值为u_m(t)，其稳定变化值为u_ss(t)；

(4)所述的稳态控制单元算法：

当控制偏差和其变化率满足|e(t)|≤ε₁，且|Δe(t)|≤ε₂时，其中ε₁，ε₂均为正实数，且ε₂＜ε₁，记此时相对于t₀时刻的时间为t_ss；

为了进一步快速消除控制偏差，当控制时间t≥t₀+t_ss时，稳态控制算法在脉冲下降控制算法的基础上，切换至比例积分控制规律，即：

u_s(t)＝u_s(t-1)+K_p·Δe(t)+K_i·e(t)            (11)

其中，u_s(t)表示控制器的稳态过程的控制输出信号，K_p为比例系数，K_i为积分系数，u_s(t-1)为上一个采样控制周期的控制器输出信号，Δe(t)为当前控制偏差的变化值；

当控制系统达到稳定时，以最终的u_s(t)更新原来计算的u_ss(t)，并保持当前的控制输出不变；如果出现随机干扰时，当控制偏差的绝对值|e(t)|≥ε₃的时候，采用如下控制规律：

u_s(t)＝u_ss(t)+K_p·e(t)          (12)

其中ε₃为正实数；

(5)所述的协同控制单元算法：

1)当控制时间t≥0时，辨识控制单元处于工作状态，辨识被控对象的模型参数；

2)当控制时间t₀≤t＜t₀+t_ss时，动态控制单元处于工作状态；

①当控制时间t₀≤t＜t₀+t_d时，控制器输出动态脉冲上升规律u_up(t)；

②当控制时间t₀+t_d≤t＜t₀+t_ss时，控制器输出动态脉冲下降规律u_down(t)；

3)当控制时间t≥t₀+t_ss时，稳态控制单元处于工作状态，控制器输出稳态控制规律u_s(t)；如果出现随机干扰，当控制偏差的绝对值|e(t)|≥ε₃的时候，则采用控制规律(12)；

当工艺设定值再次发生变化的时候，控制时间t恢复到t₀时刻，重复上述2)～3)控制过程。