[发明专利]一种工业过程的预测时域优化的扰动补偿控制方法

说明书

本发明公开了一种工业过程的预测时域优化的扰动补偿控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、根据被控对象设计内环控制器；步骤2、设计外环控制器。内环控制器通过历史控制量的控制效果作为参考预测将来的控制作用，消除控制作用的盲目性。并且通过预测时域内的系统输出对系统反馈量进行修正，使得在阶跃响应或者是加入负载扰动的瞬间接收到的过程输出要比实际过程输出更加糟糕，控制器能够提供更大的控制量，提供控制系统更快的响应速度和更强的抗干扰能力。外环控制器使用二维状态观测器估计系统内外扰动的实时作用值，并在反馈中给予补偿，用补偿的方法消除扰动的影响。

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种工业过程的预测时域优化扰动补偿控制方法。

背景技术

在石油、化工、废水处理等工业过程中广泛存在时滞现象。而这些工业过程往往可以简化为一个或多个一阶加纯滞后系统。正因为时滞现象的存在,系统的控制量无法对系统动态的变化做出及时反应,从而导致整个系统出现超调大、响应时间长的不良现象，甚至还可能出现振荡现象或者不稳定现象,给时滞系统控制器的设计带来了很大挑战。因此解决时滞系统控制问题对目标轨迹的精确跟踪以及系统的稳定性都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决由于工业过程的大滞后，生产现场外界随机扰动以及模型失配导致控制效果达不到预期效果的问题，提出一种工业过程的预测时域优化扰动补偿控制方法。

目前解决时滞问题的方法大部分都是从被控对象传递函数入手，想办法给系统滞后进行补偿使用比较多的如Smith预估算法。这类算法基于标称模型进行设计的控制器，当发生模型失配时控制效果大打折扣。而本发明提出了一种基于控制量的时滞解决方法。

本发明由内外环两个控制器进行复合控制，内环控制器主要解决系统滞后问题，外环控制器用于抑制外界扰动，以及系统模型失配问题。

内环控制器通过历史控制量的控制效果作为参考预测将来的控制作用，消除控制作用的盲目性。并且通过预测时域内的系统输出对系统反馈量进行修正，使得在阶跃响应或者是加入负载扰动的瞬间接收到的过程输出要比实际过程输出更加糟糕，控制器能够提供更大的控制量，提供控制系统更快的响应速度和更强的抗干扰能力。

外环控制器使用一个二维状态观测器估计系统内外扰动的实时作用值，并在反馈中给予补偿，用补偿的方法消除扰动的影响。

本发明的步骤包括：

步骤1、根据被控对象设计内环控制器

1.1、通过被控对象的实时阶跃响应数据得到被控对象的传递函数模型为：

其中，G(s)为被控对象的传递函数，s为拉普拉斯变换算子，K为模型增益，T为模型的惯性时间系数，D为模型的滞后时间。

1.2、计算历史控制量的控制效果

由于被控系统的延迟时间为D，选取时间段(t-D，t)的历史控制量做为参考依据，计算它们的积分Q。

其中k_q为历史控制量的积分系数。

1.3、确定基础控制器

PI控制器对于时滞系统控制效果不好的原因在于，进入控制器的输出量和控制量在时间轴上不重合。而我们通过步骤1.2即可对被控系统的滞后进行估计补偿，将系统滞后的影响降到最低，此时我们使用PI控制器就能够达到很好的控制效果。PI控制器的关系式如下

其中k_p是PI控制器比例系数，k_i是PI控制器积分系数，e(t)为当前时刻误差。取λ为调节参数。

1.4、确定预测时域