專利名稱：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)pid控制器鎮(zhèn)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于工業(yè)過程控制技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)PID控制器鎮(zhèn)定方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛地存在著時(shí)滯現(xiàn)象，時(shí)滯的存在使得被控量不能及時(shí)地反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生明顯的超調(diào)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間延長，對控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不良的影響，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制增加了很大的困難。因此，針對時(shí)滯過程的控制方法一直是控制領(lǐng)域研究的重要課題。近幾十年來，已有許多學(xué)者對時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制問題進(jìn)了廣泛而深入的研究，取得了一些重要的研究成果，但目前對于該領(lǐng)域的理論和工程實(shí)踐研究仍有許多問題尚未完全解決，尤其是理論研究與工程實(shí)踐的脫節(jié)問題。雖然以H2和H00為代表的現(xiàn)代控制理論，在時(shí)滯系統(tǒng)控制的理論研究方面取得了一些成果，但是這些成果在用于工業(yè)過程控制時(shí)有其本身的局限性，如對于線性時(shí)滯系統(tǒng)，利用這些方法所得到的最優(yōu)控制器均為真有理結(jié)構(gòu)，而且往往階次較高，一般與被控對象的階次相同，甚至更高，故控制器的實(shí)現(xiàn)成本很高，很難在工業(yè)現(xiàn)場使用。因此，盡管許多現(xiàn)代控制方法不斷推出，但在實(shí)際工業(yè)過程中，PID控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、階次低、適用范圍廣、具有魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。在工業(yè)過程控制中，95%以上的控制回路都是設(shè)計(jì)PID控制器進(jìn)行控制的。目前，大多數(shù)PID控制方法是基于描述實(shí)際控制對象的數(shù)學(xué)模型，而所獲得的數(shù)學(xué)模型與相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)之間不可避免地存在模型誤差，這就導(dǎo)致較差的控制性能，甚至使得在仿真實(shí)驗(yàn)中能鎮(zhèn)定被控對象模型的PID控制器在應(yīng)用于相應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)時(shí)無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的不依賴被控對象模型的PID控制器設(shè)計(jì)方法目前還較少，最為代表的是Ziegler-Nichols特性法。但對于復(fù)雜的系統(tǒng)，Ziegler-Nichols特性法無法獲得良好的控制效果，這主要是由于Ziegler-Nichols特性法是基于臨界頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)得到PID控制參數(shù)的，未能考慮影響控制性能的其它頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)。保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定是PID控制器設(shè)計(jì)和整定的最基本要求。故不依賴于被控時(shí)滯對象模型，僅基于其輸入輸出數(shù)據(jù)確定能夠鎮(zhèn)定閉環(huán)控制系統(tǒng)的所有PID控制參數(shù)(即PID控制參數(shù)的穩(wěn)定集)就顯得尤為重要。只要在所獲得的PID控制參數(shù)穩(wěn)定集中選取控制參數(shù)，均能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的，從而實(shí)現(xiàn)PID控制器對無模型被控對象的鎮(zhèn)定。若基于具有時(shí)滯的被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，能夠直接給出鎮(zhèn)定被控對象的PID控制器穩(wěn)定域，還可進(jìn)一步設(shè)計(jì)滿足不同性能指標(biāo)要求的PID控制器，即滿意PID控制器。針對無時(shí)滯的被控對象，Keel給出了不依賴數(shù)學(xué)模型的PID控制器穩(wěn)定域求解方法(PID Controller Synthesis Free of Analytical Models, Proceedings of the16th IFAC World Congress, 2005, 16: 367-372)。針對具有時(shí)滯的被控對象，Li 基于 D分割法提出了基于頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)的PID控制器穩(wěn)定域求解方法(Synthesis of PID-typecontrollers without parametric models: A graphical approach, Energy Conversionand Management, 2008, 49(8): 2392-2402)，并進(jìn)一步給出了不依賴數(shù)學(xué)模型的 H00PID控制器設(shè)計(jì)方法(Frequency parameterization of H00 PID controllers via relayfeedback: A graphical approach, Journal of Process Control, 201I, 21(4):448-461)。上述方法必須通過在被邊界線分割的許多不同區(qū)域內(nèi)選取控制參數(shù)值進(jìn)行穩(wěn)定性測試才能確定穩(wěn)定域。為了避免進(jìn)行穩(wěn)定性測試的復(fù)雜性，林示麟通過判斷邊界線的哪一側(cè)具有更少的不穩(wěn)定極點(diǎn)給出了無模型單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的PID控制參數(shù)穩(wěn)定域(無模型SISO時(shí)滯系統(tǒng)的PID參數(shù)穩(wěn)定域研究，控制理論與應(yīng)用，2009，26 (4):443-445)。該方法雖然能夠簡單有效地確定PID控制參數(shù)穩(wěn)定域，但仍是一種圖形法，而且所獲得的穩(wěn)定域邊界線是無規(guī)則的曲線，很難計(jì)算出所有能夠使閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的PID控制參數(shù)集合，從而也很難用于PID控制器的在線調(diào)節(jié)和滿足不同性能指標(biāo)要求的PID控制器設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有PID控制器的鎮(zhèn)定與設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用于實(shí)際時(shí)滯系統(tǒng)的控制中所存在的缺陷和不足，本發(fā)明擬基于被控時(shí)滯對象的輸入輸出頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)，確定能保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的P ID控制參數(shù)集合，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)PID控制器鎮(zhèn)定方法。所獲得的控制參數(shù)集合最顯著的特點(diǎn)是具有線性規(guī)劃的特性，即當(dāng)比例增益給定時(shí)，能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的積分增益值和微分增益值的二維空間集合是一個(gè)或若干個(gè)多邊形。只要在該集合中選取PID控制參數(shù)，均能夠使得PID控制器鎮(zhèn)定該被控的時(shí)滯對象。首先利用多頻率點(diǎn)的繼電辨識(shí)，給出被控時(shí)滯對象的輸入輸出頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)，并提取出特性參數(shù)；然后，根據(jù)頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)和特性參數(shù)，得到能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件；由PID鎮(zhèn)定的必要條件得到比例增益kp的最大取值范圍；對于固定的kp取值，得到能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的(kd，h) (kd和h分別是微分增益和積分增益)控制參數(shù)區(qū)域；遍歷kp，即可得到所以能使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制參數(shù)集。只要在所獲得的控制參數(shù)穩(wěn)定集中選取控制參數(shù)，均能實(shí)現(xiàn)PID控制器對被控時(shí)滯對象的鎮(zhèn)定。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)PID控制器鎮(zhèn)定方法包括以下步驟:(I)給被控對象一個(gè)階躍輸入信號(hào)U，對控制系統(tǒng)輸出進(jìn)行濾波，測量其輸出端開始出現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)y的時(shí)間。該時(shí)間為被控對象的時(shí)滯，用θ表示；(2)建立

圖1中的繼電反饋系統(tǒng)，其中的G(S)為被控時(shí)滯對象，C(S)為具有以下形式的PID控制器:C{s) = kp+^- + kds(I)其中，Ivki和kd分別為控制器的比例、積分和微分增益。將圖1中的開關(guān)撥至繼電器輸入端；(3)由繼電反饋下的輸入和輸出數(shù)據(jù)，利用繼電反饋辨識(shí)，獲得被控對象的多點(diǎn)頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)繪制被控對象的Bode圖和Nyquist圖；下面分別考慮被控對象為穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)兩種情況:(a)穩(wěn)定的被控時(shí)滯對象把被控過程在繼電反饋下的響應(yīng)分為穩(wěn)態(tài)部分和暫態(tài)部分:u (t) = Δ U (t) +Us (t) , y(t) = Ay (t) +ys (t) (2)其中，u(t)和y(t)分別為輸入和輸出響應(yīng)，Us (t)和7上)分別為輸入和輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)部分，Au(t)和Ay(t)分別為輸入和輸出響應(yīng)的暫態(tài)部分。設(shè)系統(tǒng)在t=Tf時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的周期振蕩，達(dá)到振蕩后的振蕩周期為T。，則被控對象的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)可由下式獲得:
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)PID控制器鎮(zhèn)定方法，其特征在于所述控制方法包括以下步驟: (1)給被控對象一個(gè)階躍輸入信號(hào)U，對控制系統(tǒng)輸出進(jìn)行濾波，測量其輸出端開始出現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)y的時(shí)間，該時(shí)間為被控對象的時(shí)滯，用θ表示； (2)建立包括被控時(shí)滯對象G(s)、PID控制器C (s)和轉(zhuǎn)換開關(guān)的繼電反饋系統(tǒng)，C(S)的形式為:
全文摘要
一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)滯系統(tǒng)PID控制器鎮(zhèn)定方法。首先利用多頻率點(diǎn)的繼電辨識(shí)，給出被控時(shí)滯對象的輸入輸出頻域響應(yīng)數(shù)據(jù)，并提取出特性參數(shù)；然后，由PID鎮(zhèn)定的必要條件得到PID控制器中比例增益kp的最大可允許穩(wěn)定范圍；對于固定的kp取值，得到能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，從而確定能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)于PID控制器中微分增益kd和積分增益ki的二維參數(shù)域，該二維穩(wěn)定域具有凸多邊形特性；通過遍歷kp的最大可允許穩(wěn)定范圍，并對每個(gè)kp的遍歷點(diǎn)，確定(kd,ki)的二維穩(wěn)定域，從而獲得PID控制器的穩(wěn)定集。只要在所得到的PID控制器穩(wěn)定集中選取控制參數(shù)，均能保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法在不需要獲得時(shí)滯對象的傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間模型的情況下，基于頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)給出了一種PID控制器鎮(zhèn)定方法，避免了模式辨識(shí)的復(fù)雜計(jì)算過程，為無模型時(shí)滯系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)提供了一條簡單有效的途徑。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103197542SQ201310049840
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者歐林林, 蘇媛, 陳駿杰, 俞立 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)