[发明专利]一种智能模型集PID控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种智能模型集PID控制器设计方法，属于流程工业生产技术领域。该方法在控制器设计方法的基础上，综合生产控制回路过程对象多时段、多工况的有效模型集，智能选取出适应多种工况的全局优化控制器，解决常规控制器设计方法难以适应工况变化的缺陷；为了使本方法所设计控制器具有较强的鲁棒性，在控制回路中加入鲁棒提升环节；本方法对生产过程回路对象建立多时段、多工况模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工况对象精准模型，实现在该控制器控制下的回路能够长期稳定运行。

技术领域

本发明属于流程工业生产技术领域，涉及一种智能模型集PID控制器设计方法，该方法可以应用于流程工业生产装置控制回路多工况全局优化的控制器设计。

背景技术

在现代石油化工生产过程中，一套生产装置通常包含少则上百，多则上千的过程控制回路，且装置运行工况随着原料改变、加工需求调整或环境因素变化而变化，对于靠经验整定的单一控制器参数难以适应多工况变化的控制性能，在工况变化时，操作人员往往采用手动控制方式控制目标参数，待生产过程操作工况处于新的稳态时，原有的控制器参数难以达到有效控制，须经由工程师对相关回路控制器进行重新整定才能稳定投用，但随着控制回路的增加及工况变化，装置自动化水平和运行平稳性受到了严重影响。

发明内容

针对背景问题，本发明提出一种智能模型集PID控制器设计方法。该方法融合了先进的计算机技术、控制技术及工艺生产技术，充分利用工业大数据挖掘方法，采用先进的建模技术，对生产过程回路对象建立多时段、多工况模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工况对象精准模型。在回路模型集基础上，提出了一种新型的控制器设计方法，该方法可在不改变原有PID控制器结构的基础上直接实施。将该新型的控制器设计方法与回路对象多工况模型集结合，设计出适应多种工况的全局优化控制器，解决了常规控制器设计方法难以适应工况变化的缺陷，实现在该控制器控制下的回路能够长期稳定运行。

本发明采用的技术方案为一种智能模型集PID控制器设计方法，在石油化工实际生产过程中，当被控变量目标值改变时，往往要求平缓地过渡到新的目标值，而不需要理想的快速阶跃式跳变过渡，快速过渡容易给生产过程造成大幅度波动，且影响装置设备使用寿命。控制器设计目标为使得控制回路前向通道等价于积分环节如图1所示，也就相当于闭环控制回路等价于一阶惯性环节如此避免设定值变化造成的输出参数大幅波动，达到更有利于生产装置整体平稳运行的目的。

图1中，R(s)为回路设定值；Y(s)为被控变量输出值；为PID控制器模型传递函数，K为比例参数，T_I为积分参数；T_D为微分参数，α为微分放大系数，取值为0.05～0.1；G_P(s)为过程对象传递函数；s为拉普拉斯算子。

为了使本方法所设计控制器具有较强的鲁棒性，在控制回路中加入鲁棒提升环节如图2所示。

图2中，λ为鲁棒提升系数，鲁棒提升系数的具体值在控制器参数设计阶段计算求得，鲁棒提升系数的取值有利于提升回路的鲁棒性能和平稳过渡动态性能；将图2做等价变换，可得如图3所示的结构形式。

图3中，G_C(s)为最终控制器，其传递函数为：

控制器设计目标为确定控制器参数K、T_I、T_D，使得控制回路前向通道G_C(s)和G_P(s)的输入输出响应等价于一阶惯性环节在设定值R(s)改变后，被控变量实现比较理想的平稳过度过程。控制器参数及鲁棒提升系数设计采用随机搜索优化方法，该方法具有运算速度快、精确度高、全局收敛性好等特点，最终计算结果即为所设计的控制器参数。