论文部分内容阅读
摘要：针对工业过程中广泛存在的大时滞过程。文中具体研究了设计了一种简单实用的双控制器设计方案，给出了具体的参数整定方法。该方案含两个独立的控制器，即跟踪控制器和扰动控制器，使设定值响应得以与扰动响应分离，从而可同时获得良好的设定值跟踪性能和抗干扰能力，同时系统的鲁棒性也比现有控制方案大为增加，进一步显示了双控制器优越的性能。
关键词：时滞，过程控制，Smith预估器，双控制器
Controller design and Simulation for large time delay process
Yusufu river. According to tie.
Xinjiang Bayinguoleng occupation Tec Department of Textile Engineering
Abstract: the industrial process exists widely in the process with large time delay. This paper studies the design of a simple and practical controller design, given a specific parameter setting method. The programme contains two independent controller, namely tracking controller and disturbance controller, so that the response to a setpoint to perturbations in response to separation, which can also get a good set point tracking and anti-interference ability, at the same time, the robustness of the system is better than the existing control schemes to increase, further shows the dual controller of superior performance.
Key words : delay, process control, Smith predictor, double controller
1.引言
工業生产的大规模化使工业过程变得更为复杂,大时滞、不确定性、严重非线性、时变性对工业过程控制系统的设计提出了更高的要求[1],因此,这需要更高级、更快速、更可靠、更有效的控制方法。在基于参数模型的控制方法中, Smith预估控制法是最经典和最成熟的方法[2]。它不仅对设定值和外部扰动输入的稳态误差为零,还可以结合很多智能控制方法形成各种改进的智能Smith预估系统来提高控制的品质。改进后的Smith预估器的模型中不含有时滞环节，控制器只有一个调节参数，易于实现，因而，在时滞不确定系统中具有广泛的应用前景[3]。因此,大时滞系统的控制不是单一的方法就可以完善解决的,工业计算机的出现与完善可以很容易地实现各种复杂、高级控制算法,因此,针对大时滞过程的特点,开发与设计出各种智能控制方法或以不同的形式结合在一起,将是解决工业大时滞过程的有效途径。
2．时滞过程的双控制器结构分析
针对含大纯时滞过程控制，本文提出了双控制器设计方案。双控制器由设定点控制器和负载控制器以及程序模块组成。在双控制器中，设定点和负载闭环系统响应是分离的，并由单位的PI控制器解决，在控制过程中不需要两种响应相平衡。由模型不匹配所引起的可预测误差反馈至负载控制器，并以附加干扰的形式进行补偿，获得较Smith预估器更良好的工作性能。
2.1双控制器模型的建立
如图1所示,图中r和l分别代表设定值和扰动.控制器和分别用于调节设定值跟踪响应和扰动响应,故分别称之为跟踪控制器和扰动控制器。设被控过程为p(s)=W,其中为延迟时间, W表示除延迟外所有的动态过程。双控制器方案包含一个过程模型,其中为等效的纯滞后时间, 也不含任何纯滞后。系统输出y与模型输出y*之差反馈到扰动控制器。图1的闭环系统输出可表示为,其中和分别为设定值响应传递函数和扰动响应传递函数,其关系式为:
(1)
(2)
由可见扰动响应由决定而与和过程模型无关。而由可知,设定值响应不仅与有关,还与和过程模型有关。若模型精确,即及=,则
（3）
这时设定值响应近似由决定,并与扰动响应分离,且与Smith预估器一样等效于跟踪控制器对的闭环控制再附加纯滞后环节。图2是模型精确时图1的等效结构,其中上半部分对应于设定值响应,下半部分对应于扰动响应,两部分输出之和即为系统输出。
图1 双控制器结构
图2 模型准确时图1的等效结构
与分离,使得两个控制器和可独立设计,以同时获得良好的设定值跟踪性能和扰动抑制能力,而不象常规控制那样是两者的折衷,这是双控制器结构的优点之一。后面的分析还可看到,双控制器系统还具有很强的鲁棒性[4]。
2.2控制器设计
设被控过程为一阶加纯滞后,即
P(s)== , (4)
其中,和分别为过程增益、时间常数和纯滞后时间。其过程模型用一阶加纯滞后描述
P*(s)==(5)
其中,和分别为等效的过程增益、时间常数和纯滞后时间.即使过程特性可能不同于式(2.5)而具有高阶特性,但许多实际过程仍然可用模型(2.5)近似。为简化起见,将跟踪控制器和扰动控制器均设计为PI类型,即:
(6)
其中和分别为控制器增益和积分时间, =1,2.不过这并不意味着只能采用PI控制,PI控制不能满足要求时也可采用更复杂的控制算法。由式(2.1)～(2.6)可导出如下结果:无论模型准确与否,均有及。这表明若闭环系统稳定,则稳态时系统输出将无偏差地跟踪设定值。同时,,模型准确时则有,可见可视为对扰动的估计。任何模型误差在稳态时均可看作其值为的附加扰动,且由与模型无关的扰动控制回路补偿,从而使整个系统对过程模型不敏感。
跟踪控制器按图2上半部分的无滞后闭环回路整定。应用直接综合法,对于一阶加纯滞后过程模型,设之期望值为一阶加纯滞后
,(7)
其中为期望时间常数。令=可导出PI跟踪控制器的参数为
.(8)
扰动控制器按图2下半部分的闭环回路整定。由于的分子分母均含有大时滞项,传统的PI控制器整定方法不能给出满意结果。仿真发现, Haalman提出的整定方法效果较好,但对大时滞过程仍偏于保守。因此,修正Haalman方法来确定的参数。对于可用一阶加纯滞后模型近似描述的过程,按下列公式整定PI扰动控制器的参数
, (9)
其中≥1为公共修正系数。
2.3实例仿真分析
考虑典型的一阶加纯滞后过程,其模型用式(5)描述且及τ*=6.按式(2.8)并取,得的参数为.由式(9),取=3时系统性能良好,相应的参数为=1/3及=3.仿真所用的激励信号为t=0时引入设定值单位阶跃变化,t=100時引入负单位阶跃扰动。图3给出模型精确时双控制器系统(白线)与Smith预估器(黑线)的响应典线,两系统的设定值跟踪响应特性相同(曲线重叠),而双控制器系统的扰动响应略显迟钝。
图3 双控制器系统和Smith预估器性能比较
在相同的模型和控制器参数下,研究过程特性变化对闭环系统性能的影响。
纯滞后时间偏离=6.仿真表明,Smith预估器当<4或>7时成为不稳定,而双控制器系统却在0<<15范围内仍保持稳定,说明本文方法鲁棒性强. 图4为=5.5时双控制器系统(黑线)和Smith预估器(白线)的响应曲线,双控制器系统明显优于Smith预估器。
图4 τ=5.5时双控制器系统与Smith预估器比较
图5 双控制器与Smith预估器比较系统的simulink仿真
结论
在本文中设计的时滞过程的一种新型双控制器结构简单实用。由一个设定点控制器和一个负载控制器所组成。设定值跟踪响应与扰动响应的分离,使得跟踪控制器和扰动控制器可独立设计,从而可同时获得良好的设定值跟踪特性和扰动抑制能力。
根据仿真结果表明：在具有明显时滞的控制过程以及具有大量不确定因素的控制过程中，双控制器的稳定性明显优于Smith预估器。双控制器系统还具有很好的鲁棒性,却对模型不敏感,其根源在于将预估偏差反馈到与模型无关的扰动控制器回路。
参考文献
[1] 秦元勋，刘永清，王联，郑祖麻.带有时滞的动力系统的运动稳定性.科学出版社.1989
[2] 高明，包新华，高岩，张国范. 一种改进的Smith预估器研究.2001,8（5）
[3] 田玉楚. 大时滞工业过程的双控制器结构. 自动化学报.1999,25(6)
[4] 刘桂香，朱学峰.改进的自适应修正Smith算法在大时滞过程控制中的仿真研究，第19届中国过程控制会议（2008）
作者简介：
玉素甫江.依扎提，性别：男，籍贯：新疆库尔勒，工作单位：新疆巴音郭楞职业技术学院纺织工程系。性别：男，籍贯：新疆库尔勒
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：时滞，过程控制，Smith预估器，双控制器
Controller design and Simulation for large time delay process
Yusufu river. According to tie.
Xinjiang Bayinguoleng occupation Tec Department of Textile Engineering
Abstract: the industrial process exists widely in the process with large time delay. This paper studies the design of a simple and practical controller design, given a specific parameter setting method. The programme contains two independent controller, namely tracking controller and disturbance controller, so that the response to a setpoint to perturbations in response to separation, which can also get a good set point tracking and anti-interference ability, at the same time, the robustness of the system is better than the existing control schemes to increase, further shows the dual controller of superior performance.
Key words : delay, process control, Smith predictor, double controller
1.引言
工業生产的大规模化使工业过程变得更为复杂,大时滞、不确定性、严重非线性、时变性对工业过程控制系统的设计提出了更高的要求[1],因此,这需要更高级、更快速、更可靠、更有效的控制方法。在基于参数模型的控制方法中, Smith预估控制法是最经典和最成熟的方法[2]。它不仅对设定值和外部扰动输入的稳态误差为零,还可以结合很多智能控制方法形成各种改进的智能Smith预估系统来提高控制的品质。改进后的Smith预估器的模型中不含有时滞环节，控制器只有一个调节参数，易于实现，因而，在时滞不确定系统中具有广泛的应用前景[3]。因此,大时滞系统的控制不是单一的方法就可以完善解决的,工业计算机的出现与完善可以很容易地实现各种复杂、高级控制算法,因此,针对大时滞过程的特点,开发与设计出各种智能控制方法或以不同的形式结合在一起,将是解决工业大时滞过程的有效途径。
2．时滞过程的双控制器结构分析
针对含大纯时滞过程控制，本文提出了双控制器设计方案。双控制器由设定点控制器和负载控制器以及程序模块组成。在双控制器中，设定点和负载闭环系统响应是分离的，并由单位的PI控制器解决，在控制过程中不需要两种响应相平衡。由模型不匹配所引起的可预测误差反馈至负载控制器，并以附加干扰的形式进行补偿，获得较Smith预估器更良好的工作性能。
2.1双控制器模型的建立
如图1所示,图中r和l分别代表设定值和扰动.控制器和分别用于调节设定值跟踪响应和扰动响应,故分别称之为跟踪控制器和扰动控制器。设被控过程为p(s)=W,其中为延迟时间, W表示除延迟外所有的动态过程。双控制器方案包含一个过程模型,其中为等效的纯滞后时间, 也不含任何纯滞后。系统输出y与模型输出y*之差反馈到扰动控制器。图1的闭环系统输出可表示为,其中和分别为设定值响应传递函数和扰动响应传递函数,其关系式为:
(1)
(2)
由可见扰动响应由决定而与和过程模型无关。而由可知,设定值响应不仅与有关,还与和过程模型有关。若模型精确,即及=,则
（3）
这时设定值响应近似由决定,并与扰动响应分离,且与Smith预估器一样等效于跟踪控制器对的闭环控制再附加纯滞后环节。图2是模型精确时图1的等效结构,其中上半部分对应于设定值响应,下半部分对应于扰动响应,两部分输出之和即为系统输出。
图1 双控制器结构
图2 模型准确时图1的等效结构
与分离,使得两个控制器和可独立设计,以同时获得良好的设定值跟踪性能和扰动抑制能力,而不象常规控制那样是两者的折衷,这是双控制器结构的优点之一。后面的分析还可看到,双控制器系统还具有很强的鲁棒性[4]。
2.2控制器设计
设被控过程为一阶加纯滞后,即
P(s)== , (4)
其中,和分别为过程增益、时间常数和纯滞后时间。其过程模型用一阶加纯滞后描述
P*(s)==(5)
其中,和分别为等效的过程增益、时间常数和纯滞后时间.即使过程特性可能不同于式(2.5)而具有高阶特性,但许多实际过程仍然可用模型(2.5)近似。为简化起见,将跟踪控制器和扰动控制器均设计为PI类型,即:
(6)
其中和分别为控制器增益和积分时间, =1,2.不过这并不意味着只能采用PI控制,PI控制不能满足要求时也可采用更复杂的控制算法。由式(2.1)～(2.6)可导出如下结果:无论模型准确与否,均有及。这表明若闭环系统稳定,则稳态时系统输出将无偏差地跟踪设定值。同时,,模型准确时则有,可见可视为对扰动的估计。任何模型误差在稳态时均可看作其值为的附加扰动,且由与模型无关的扰动控制回路补偿,从而使整个系统对过程模型不敏感。
跟踪控制器按图2上半部分的无滞后闭环回路整定。应用直接综合法,对于一阶加纯滞后过程模型,设之期望值为一阶加纯滞后
,(7)
其中为期望时间常数。令=可导出PI跟踪控制器的参数为
.(8)
扰动控制器按图2下半部分的闭环回路整定。由于的分子分母均含有大时滞项,传统的PI控制器整定方法不能给出满意结果。仿真发现, Haalman提出的整定方法效果较好,但对大时滞过程仍偏于保守。因此,修正Haalman方法来确定的参数。对于可用一阶加纯滞后模型近似描述的过程,按下列公式整定PI扰动控制器的参数
, (9)
其中≥1为公共修正系数。
2.3实例仿真分析
考虑典型的一阶加纯滞后过程,其模型用式(5)描述且及τ*=6.按式(2.8)并取,得的参数为.由式(9),取=3时系统性能良好,相应的参数为=1/3及=3.仿真所用的激励信号为t=0时引入设定值单位阶跃变化,t=100時引入负单位阶跃扰动。图3给出模型精确时双控制器系统(白线)与Smith预估器(黑线)的响应典线,两系统的设定值跟踪响应特性相同(曲线重叠),而双控制器系统的扰动响应略显迟钝。
图3 双控制器系统和Smith预估器性能比较
在相同的模型和控制器参数下,研究过程特性变化对闭环系统性能的影响。
纯滞后时间偏离=6.仿真表明,Smith预估器当<4或>7时成为不稳定,而双控制器系统却在0<<15范围内仍保持稳定,说明本文方法鲁棒性强. 图4为=5.5时双控制器系统(黑线)和Smith预估器(白线)的响应曲线,双控制器系统明显优于Smith预估器。
图4 τ=5.5时双控制器系统与Smith预估器比较
图5 双控制器与Smith预估器比较系统的simulink仿真
结论
在本文中设计的时滞过程的一种新型双控制器结构简单实用。由一个设定点控制器和一个负载控制器所组成。设定值跟踪响应与扰动响应的分离,使得跟踪控制器和扰动控制器可独立设计,从而可同时获得良好的设定值跟踪特性和扰动抑制能力。
根据仿真结果表明：在具有明显时滞的控制过程以及具有大量不确定因素的控制过程中，双控制器的稳定性明显优于Smith预估器。双控制器系统还具有很好的鲁棒性,却对模型不敏感,其根源在于将预估偏差反馈到与模型无关的扰动控制器回路。
参考文献
[1] 秦元勋，刘永清，王联，郑祖麻.带有时滞的动力系统的运动稳定性.科学出版社.1989
[2] 高明，包新华，高岩，张国范. 一种改进的Smith预估器研究.2001,8（5）
[3] 田玉楚. 大时滞工业过程的双控制器结构. 自动化学报.1999,25(6)
[4] 刘桂香，朱学峰.改进的自适应修正Smith算法在大时滞过程控制中的仿真研究，第19届中国过程控制会议（2008）
作者简介：
玉素甫江.依扎提，性别：男，籍贯：新疆库尔勒，工作单位：新疆巴音郭楞职业技术学院纺织工程系。性别：男，籍贯：新疆库尔勒
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。