[发明专利]一种工业加热炉的二自由度内模控制分析方法

说明书

本发明公开了一种工业加热炉的二自由度内模控制分析方法，包括如下步骤：步骤1、建立被控对象的过程模型；步骤2、设计二自由度内模PID控制器；步骤3、对设计的控制器进行稳定性分析。本发明提出了一种工业加热炉的二自由度内模控制分析方法。该方法改进了二自由度内模PID控制方法，并且通过外加的PD控制器改善了瞬态响应，能够使系统同时满足良好的跟踪性能和干扰抑制性能，系统的控制要求也能够得到保证。

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种工业加热炉的二自由度内模控制分析方法。

背景技术

随着生产工艺不断改进，对过程控制的水平要求也日益提高。PID控制器在工业生产过程中有很高的使用率，而普通的PID控制器往往不能达到满意的控制精度。内模PID控制是一种实用性很强的控制方法，设计简单，调节参数简单方便，但是通常不能同时兼顾设定点跟踪性能和干扰抑制性能，调节器参数选择时要在这两者之间进行折中，而目前所用的二自由度内模控制结构都是传统结构形式,其控制结构复杂、控制方法不够明确，因此研究一种改进的二自由度内模PID控制方法是有必要的。

发明内容

本发明目的是针对传统的二自由度内模控制方法在工业过程生产中控制精度不足的问题，进而提出了一种工业加热炉的二自由度内模控制分析方法。该方法首先针对过程对象的特性分析，设计了一个虚拟的滤波器，建立新的被控对象模型，通过结构图的等效，设计一种二自由度内模控制器。然后设计了一个外加的PD控制器来改善系统响应的瞬态性能。通过控制器等效方法得到PID控制器的各个参数，并增加控制输入的设定点权重作用于被控对象。最后通过鲁棒稳定性定理，进行稳定性分析。与传统的一些方法相比，本申请所提出的二自由度内模控制方法。能够同时实现良好的设定点跟踪和干扰抑制性能，并且有很好的瞬态响应性能，提高了控制精度。具体技术方案如下：

本发明方法的步骤包括：

步骤1、建立被控对象的过程模型，具体步骤是：

1.1首先考虑化工过程一阶加时滞过程对象的传递函数和标准的比例积分微分控制器传递函数，如下式所示：

其中，P(s)是过程对象传递函数，K是过程增益系数；T是过程时间常数；τ表示延迟时间；C(s)是PID控制器传递函数；K_c是控制器的比例增益；T_i是控制器的积分时间常数；T_d是控制器的微分时间常数。

1.2假设存在一个虚构的一阶滤波器用于取代过程模型的零极点，其形式如下：

其中，I(s)为虚拟滤波器，主要用来转换稳定或不稳定一阶过程的极点和零点，实际不存在；η表示虚拟的滤波器时间常数。

1.3虚拟滤波器的时间常数取决于过程的时间延迟和时间常数比，这里选择时间常数η＝2min(τ,T)。

1.4一阶时滞过程串联一个虚拟的滤波器，那么可以得到新的模型：

步骤2、设计二自由度内模PID控制器，具体步骤是：

2.1将系统模型分解成两部分：

G_M(s)＝G_M+(s)+G_M-(s)

其中，G_M(s)表示系统的过程模型传递函数；G_M+(s)是全通部分，且G_M+(s)＝e^-τs；G_M-(s)是最小相位部分，

2.2选择内模控制滤波器为那么系统的内模控制器为：