基于模范系統(tǒng)的優(yōu)化控制系統(tǒng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動控制領(lǐng)域，具體設(shè)及工業(yè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、被控對象參 數(shù)辨識W及控制器參數(shù)在線整定的一整套優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前工業(yè)過程控制中常用的控制系統(tǒng)優(yōu)化方法基本分為=類，一類是操作人員憑 經(jīng)驗(yàn)逐一就具體對象對PID控制參數(shù)整定的方法，缺點(diǎn)是憑人的經(jīng)驗(yàn)隨意性大，無法確保 優(yōu)化結(jié)果。再一類是先對具體對象進(jìn)行模型參數(shù)辨識，之后W某目標(biāo)的尋優(yōu)過程來確定調(diào) 節(jié)控制參數(shù)，辨識算法一般較為復(fù)雜，且需逐一對具體對象進(jìn)行反復(fù)捜索、迭代、逼近的尋 優(yōu)過程，使得在實(shí)施、維護(hù)中耗時費(fèi)力，存在不易推廣普及的限制。還有一類采用在線自適 應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的各種算法（同樣存在算法復(fù)雜，僅對某種對象適用、甚至魯棒性差，需 高級技術(shù)人員實(shí)施、應(yīng)用成本高等不利因素）。
[0003] 然而實(shí)際應(yīng)用中大量的控制需求是希望通過簡捷易行的手段達(dá)到針對所選目標(biāo) 的最優(yōu)控制設(shè)計(jì)，特別是在現(xiàn)場能夠按照確定的幾步簡單操作就可W完成對被控對象模型 參數(shù)的辨識和對控制器參數(shù)進(jìn)行及時整定維護(hù)，W便普通技術(shù)操作人員就能長期保障系統(tǒng) 按照優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于模范系統(tǒng)的優(yōu)化控制系統(tǒng)方法，能便捷地算出 控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)與濾波器參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，并能長期保障系統(tǒng)按照優(yōu)化設(shè) 計(jì)運(yùn)行。
[000引（二）技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明提供一種優(yōu)化控制系統(tǒng)的方法，控制系統(tǒng)包括濾波器Gf、控制器Gc及被控 對象邱，其中，指定被控對象邱的數(shù)學(xué)模型為：
[0008]
[0009] 化2> 0;K1〉0 ;K〇> 0 ;X〉0)
[0010]式中，S為拉氏算子，K。為積分因子，Ki為比例因子，K2為微分因子，T表示時滯 值；指定所述控制器（Gc)的數(shù)學(xué)模型為：
[001 引 Ti=Ki/K。
[0014]Td=K2/K1
[0015]
[0016] 式中，化、Ti、Td和Tf均為控制器參數(shù)，化為比例系數(shù)、Ti為積分系數(shù)、Td為微分 系數(shù)、Tf為濾波系數(shù)；
[0017] 指定所述濾波器（Gf)的數(shù)學(xué)模型為：
[0018]
[0019] 式中，A1為跟隨濾波參數(shù)，A2為抗擾濾波參數(shù)；
[0020] 所述模范系統(tǒng)包括被控對象Go及濾波器Gfo,其中，指定所述被控對象Go的數(shù)學(xué) 模型為：
[0021]
[0022]式中，a2為模范抗擾參數(shù)，
[0023] 指定所述濾波器Gfo的數(shù)學(xué)模型為：
[0024]
[002引式中，a1為模范跟隨參數(shù)；方法包括W下步驟：
[0026]S1，在模范系統(tǒng)中，根據(jù)控制需求選擇評價(jià)指標(biāo)，并對該評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化， 得到一對優(yōu)化參數(shù).
[0027]S2,根據(jù)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算所述控制系統(tǒng)的濾波器參數(shù)和控制器參數(shù)。
[002引S3,制定模范響應(yīng)模板，并根據(jù)濾波器參數(shù)、控制器參數(shù)和模范響應(yīng)模板辨識被控 對象的對象參數(shù)。
[002引 S4,根據(jù)所述控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在線整定控制參數(shù)。
[0030] (S)有益效果
[0031] 本發(fā)明提供的優(yōu)化控制系統(tǒng)的方法，具有W下優(yōu)點(diǎn)：首先，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程不針對具 體對象，而是針對特定的模范對象先期一次完成，大大減少了現(xiàn)有方法需要逐一對具體對 象尋優(yōu)的工作量；不限定所選的優(yōu)化目標(biāo)和尋優(yōu)手段，因此適應(yīng)多種控制特性需求；辨識 過程步驟與算法直觀簡單、利于現(xiàn)場操作實(shí)施，控制參數(shù)在線整定的過程與辨識過程機(jī)理 一樣，都引入了優(yōu)化響應(yīng)模板，所整定的調(diào)節(jié)變量與對象參數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，很好理解掌握、 實(shí)施條件容易滿足，便于及時維護(hù)系統(tǒng)按優(yōu)化目標(biāo)運(yùn)行?？傊\(yùn)整套優(yōu)化控制實(shí)施方案，適 用于常見的工業(yè)對象，特別是食品、紡織、化工、環(huán)保等行業(yè)中工藝過程調(diào)節(jié)變量的控制，而 且本方法易于由一般技術(shù)人員掌握和推廣使用。
【附圖說明】
[0032] 圖1是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0033] 圖2是模范系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明針對工業(yè)過程常見的對象類型，提供一種基于模范系統(tǒng)的優(yōu)化控制系統(tǒng)方 法，經(jīng)對選定目標(biāo)尋優(yōu)獲得運(yùn)類對象（非具體對象）的一對優(yōu)化參數(shù)；再W模范系統(tǒng)優(yōu)化響 應(yīng)函數(shù)為模板逐步辨識出具體對象參數(shù)，由此便捷地算出實(shí)際系統(tǒng)的控制器參數(shù)與濾波器 參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制；并且基于前述模板設(shè)計(jì)在線控制參數(shù)的整定辦法，用于維護(hù)長期 優(yōu)化控制效果。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，控制系統(tǒng)包括濾波器Gf、控制器Gc及被控對象Gp， 其中，指定所述被控對象Gp的數(shù)學(xué)模型為：
[0036]
[0037]化2> 0 ;K 1〉0 ;K〇> 0 ; X〉0)
[0038]此模型基本涵蓋了工業(yè)過程中占多數(shù)的常見一階化2 = 0)、二階、積分型化0 = 0)、非積分型且含時滯（1〉〇)運(yùn)一類對象，式中，S為拉氏算子，K。為積分因子，Ki為比例因 子，K2為微分因子，X表示時滯值；指定所述控制器Gc的數(shù)學(xué)模型為：
[0044] 式中，化、Ti、Td和Tf均為控制器參數(shù)，化為比例系數(shù)、Ti為積分系數(shù)、Td為微分 系數(shù)、Tf為濾波系數(shù)；
[0045] 指定所述濾波器Gf的數(shù)學(xué)模型為：
[0046]
[0047] 式中，A1為跟隨濾波參數(shù)，A2為抗擾濾波參數(shù)；
[0048] 所述模范系統(tǒng)包括被控對象Go及濾波器Gfo,其中，指定所述被控對象（Go)的數(shù) 學(xué)模型為：
[0049]
[0050]式中，a2為模范抗擾參數(shù)，
[0051] 指定所述濾波器Gfo的數(shù)學(xué)模型為：
[0052]
[005引式中，a1為模范跟隨參數(shù)；
[0054]如果a1,a2滿足：
，:控制系統(tǒng)時域響應(yīng)函數(shù)y(t)和模范系統(tǒng)時域 響應(yīng)函數(shù)y"(t)的關(guān)系為：y(t) =y"(t/i)。由此針對模范系統(tǒng)某目標(biāo)的響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，取 得優(yōu)化參數(shù)后，再令：
就可W使控制系統(tǒng)對同一個目標(biāo)實(shí) 現(xiàn)優(yōu)化響應(yīng)。
[00巧]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，優(yōu)化控制系統(tǒng)方法包括：
[0056]S1，在模范系統(tǒng)中，根據(jù)控制需求選擇評價(jià)指標(biāo)，并對該評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化， 得到一對優(yōu)化參數(shù).
[0057]S2,根據(jù)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算所述控制系統(tǒng)的濾波器參數(shù)和控制器參數(shù)。
[0058]S3,制定模范響應(yīng)模板，并根據(jù)濾波器參數(shù)和控制器參數(shù)辨識被控對象的對象參 數(shù)。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，步驟S1包括：
[0060]S11，先對僅有階躍干擾響應(yīng)的抗擾評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化參數(shù)煉^，:其中， 所述階躍干擾響應(yīng)的表達(dá)式為：
[0061]
[0062] Go(巧表示所述模范系統(tǒng)的被控對象；
[0063] 所述抗擾評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式為：
[0064]
[0065]fi(y"d(t))表示含y"d(t)的某評價(jià)函數(shù)；
[0066]y"d(t)表示階躍干擾響應(yīng)時域函數(shù)；
[0067] 仿^表示當(dāng)Ld為最小時的a2值，也稱優(yōu)化抗擾參數(shù)；
[0068]S12,令熱后再對僅有階躍輸入響應(yīng)的跟隨評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化 參數(shù)為，其中，所述階躍輸入響應(yīng)的表達(dá)式為：
[0069]
[0070] Gfo(巧表示所述模范系統(tǒng)的濾波器；
[0071] 所述跟隨評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式為：
[0072]
[0073] f2(y"a))表示含(t)的某評價(jià)函數(shù)，
[0074] y"r(t)表示階躍輸入響應(yīng)時域函數(shù)，
[007引 Clf表示當(dāng)J。為最小時的a準(zhǔn)，也稱優(yōu)化跟隨參數(shù)；
[0076] 根據(jù)本