一種基於兩步法的遲滯控制方法
2023-05-09 12:45:31 1
專利名稱：一種基於兩步法的遲滯控制方法
技術領域：
本發明涉及一種基於兩步法的遲滯控制方法，用於對工業過程中閥門遲滯導致的迴路振蕩進行補償控制，屬於先進過程控制技術領域。
背景技術：
閥門遲滯是造成工業系統振蕩的重要原因，也是閥門控制中最普遍、最難被克服的問題之一。Honeywell公司通過歷時2年的調查研究，對連續工業過程中26000個PID控制迴路系統性能進行分析，得出如下結論只有1/3的控制迴路系統性能良好，而其它控制迴路系統性能都有待改善。研究指出，工業過程中控制系統性能改善I %或能源利用率提高I %，就會帶來幾千萬甚至幾億美元的利潤。現代工業過程中，一般企業即使檢測出控制閥粘滯特性的存在，也不會因此而停 產維護，因為停產造成的損失更大。一般企業設備維護周期為半年到3年，在這期間控制閥粘滯特性的存在，不僅會增加企業的能耗而且會加速設備的磨損。因此設計不需要停產維護就能克服控制閥粘滯特性的控制器，對工業過程節能降耗有非常重要的意義。目前已提出幾種閥門遲滯控制的補償方法，但有些只停留在理論研究，不能運用到複雜的工業現場；有些雖能夠應用在實際的工業生產中，卻存在一些弊端 Hagglund於2002年提出一種遲滯控制方法，即將Knocker信號加入到控制信號中去，對調節閥進行遲滯補償。此方法存在一些缺陷=Knocker信號是一系列的脈衝信號，其三個參數的大小會影響補償作用的好壞knocker補償控制參數多，整定困難，屬於靜態補償，即一旦參數設定，運行中便不能改變，並且輸出波動的減弱是以閥門頻繁動作為代價的，這是工程上所不期望的。
Srinivasan等人於2007年提出一種「兩步法」粘滯特性補償器。該方法的整個分析過程是在單參數模型的基礎上展開的，其補償器需要準確的模型遲滯參數d，且只能在沒有任何外界幹擾的理想情況下運行，這在實際工業生產過程中幾乎做不到。此外，該補償器的閥門位置不可測。此方法純屬於理論研究。上述閥門遲滯控制方法都存在各自的局限性，其補償效果並不令人滿意。
發明內容
本發明的目的是提供一種無需停產就能消除工業迴路中的振蕩、抗幹擾性強、滿足工業應用高質量和低能耗要求的閥門遲滯補償控制方法。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種基於兩步法的遲滯控制方法，該方法分為以下3個步驟步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和工業過程模型；步驟2 :在0PT022中，建立基於預測PI算法的主控制器和基於兩步法的補償控制器，其控制算法如下
預測PI 算法的輸入輸出關係為 MO = K(l + \)e{t)-^-[u(t)-u(t-L)]
Ph PTt其中P為微分算子，e (t)、u (t)分別為控制器的輸入和輸出，K為過程增益的倒數，Ti為控制過程主導時間常數，L為控制過程滯後時間；定義系統誤差Error = SP-PV，其中SP為系統輸入，PV為系統輸出；Stiction為一個小於系統輸入SP的設定值，當Error大於或者等於Stiction時,採用主控制器,否則採用補償控制器；結合圖4，補償控制器的算法如下定義Count為計數器、Period為控制周期、Flag為標誌位，OP為主控制器輸出，設定Count、Period 和 Flag 的初始值，Flag = 0, Count 從 0 開始計數；當Count = PeriocUFlag = 0 且 Error ^ 0 時，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；當Count = Period、Flag = 0 且 Error Period 且 Flag = I 時，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步驟3 :連接MATLAB和0PT022進行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、工業過程模型依次連接構成閉環負反饋控制模型，補償控制器並聯在主控制器兩端且作為閥門遲滯模型的前饋控制器輸出到主控制器之後，系統輸出PV為工業過程輸出。本發明提供的一種基於兩步法的遲滯控制方法，當外界有幹擾時，控制迴路能夠在兩步之後回歸穩態，保持良好的運行效果；該方法所需控制參數少，且控制參數物理意義明確，便於參數整定。本發明提供的方法克服了現有技術的不足，通過採用先進的控制算法來補償迴路中的閥門遲滯，無需停產就能有效消除工業控制迴路中由閥門遲滯引起的振蕩，抗幹擾性強，實現形式簡單，控制效果好，可用於實際工業過程。
圖I本發明提供的一種基於兩步法的遲滯控制方法控制迴路框圖；圖2是閥門遲滯模型無遲滯時的閥門輸出(MV)和系統輸出(PV)對比圖；圖3是閥門遲滯模型存在遲滯時的閥門輸出(MV)和控制器輸出(OP)對比圖；圖4為本實施例中基於兩步法的補償控制器的算法流程圖；圖5為本實施例中沒有幹擾時系統穩態輸出波形；圖6為本實施例中加幹擾後未採用補償控制器時系統輸出波形；圖7為本實施例中加幹擾後採用補償控制器時系統穩態輸出波形；
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以一優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。0PT022成立於1974年，主要涉及工業自動化、遠程監控及企業數據採集領域的硬體和軟體產品的開發和製造。通過採用標準和商用網際網路、組網和計算機技術，0PT022的輸入/輸出和控制系統允許客戶對所有機械、電氣和電子資產進行數據監視、控制和採集。本發明開發了基於0PT022PAC Project Professional的實時監測控制軟體。PAC Project Professional 包括以下幾部分組成PAC Control、PAC Display、0PT0 OPCServer>PAC Manager等。算法採用PAC Control腳本語言進行編程,用戶監控界面採用PACDisplay進行界面開發。圖I所示為本發明提供的一種基於兩步法的遲滯控制方法控制迴路框圖，該方法分為以下3個步驟步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和工業過程模型；步驟2 :在0PT022中，建立基於預測PI算法的主控制器和基於兩步法的補償控制器，其控制算法如下預測PI算法的輸入輸出關係為:—)=K(l+[ (0 — u^t — L)]其中p為微分算子，e(t)、u(t)分別為控制器的輸入和輸出，K為過程增益的倒數， Ti為控制過程主導時間常數，L為控制過程滯後時間；定義系統誤差Error = SP-PV，其中SP為系統輸入，PV為系統輸出；結合圖2，Stiction為一個小於系統輸入SP的設定值，當Error大於或者等於Stiction時,採用主控制器，否則採用補償控制器；結合圖4，補償控制器的算法如下定義Count為計數器、Period為控制周期、Flag為標誌位,OP為主控制器輸出，設定Count、Period和Flag的初始值，Flag = 0, Count從0開始計數；當Count = Period、Flag = 0 且 Error ^ 0 時，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；當Count = Period、Flag = 0 且 Error Period 且 Flag = I 時，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步驟3 :連接MATLAB和0PT022進行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、工業過程模型依次連接構成閉環負反饋控制模型，補償控制器並聯在主控制器兩端且作為閥門遲滯模型的前饋控制器輸出到主控制器之後，系統輸出PV為工業過程輸出。以上控制系統中補償控制器實際上實現了以下兩步功能第一步，使調節閥克服閥門遲滯移動到合適的開度位置；第二步，移動閥門到穩定狀態下其應該處於的位置，並使閥門一直保持在該穩定位置。給系統一個激勵信號SP作為系統輸入，SP經主控制器和補償控制器傳輸到閥門遲滯模型，輸出信號MV，信號MV經補償控制器向閥門遲滯模型發出前饋信號，閥門遲滯模型在接受主控制器指令進行動作的同時，又及時地受到前饋信號的調控，因此動作可以更加準確。閥門遲滯模型輸出信號再經過工業過程輸出，工業過程輸出信號PV負反饋到系統輸入端，使控制系統的誤差逐步減小，系統趨於穩定。建立上述控制系統的仿真模型，當閥門遲滯模型無遲滯時，閥門遲滯模型輸出MV和系統輸出PV如圖2所示，MV和PV趨於一致；當閥門遲滯模型有遲滯時，閥門遲滯模型輸出MV和主控制器輸出OP如圖3所示，MV振幅明顯小於0P，證明補償控制器起到了很好的補償效果；圖5為沒有幹擾時系統穩態輸出波形,在系統輸出PV上加一個階躍信號作為幹擾，加幹擾後未米用補償控制器時，系統輸出波形如圖6所不,系統輸出偏離目標輸出較大；加入補償控制器後，系統穩態輸出波形如圖7所示，系統輸出基本在目標輸出附近波動，與圖5中沒有幹擾時系統穩態輸出波形相似，證明本發明提出的一種基於兩步法的遲滯控制方法具有很 好的控制效果。
權利要求
1.ー種基於兩步法的遲滯控制方法，其特徵在於該方法分為以下3個步驟 步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和エ業過程模型； 步驟2 :在0PT022中，建立基於預測PI算法的主控制器和基於兩步法的補償控制器，其控制算法如下 預測PI算法的輸入輸出關係為u(t) = K(l + —)e(t)-一-[u(t)-u(t-L)} P1i Ph 其中P為微分算子，e(t)、u(t)分別為控制器的輸入和輸出，K為過程増益的倒數，Ti為控制過程主導時間常數，L為控制過程滯後時間； 定義系統誤差Error = SP-PV，其中SP為系統輸入，PV為系統輸出；Stiction為ー個小於系統輸入SP的設定值，當Error大於或者等於Stiction時,採用主控制器,否則採用補償控制器；補償控制器的算法如下 定義Count為計數器、Period為控制周期、Flag為標誌位，OP為主控制器輸出，設定Count、Period 和 Flag 的初始值，Flag = O, Count 從 O 開始計數；當 Count = Period、Flag = O 且 Error > O 時，OP = OP+Stiction, Flag = I ；當 Count = Period、Flag = 0 且 Error Period 且 Flag = I 時，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ； 步驟3 :連接MATLAB和0PT022進行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、エ業過程模型依次連接構成閉環負反饋控制模型，補償控制器並聯在主控制器兩端且作為閥門遲滯模型的前饋控制器輸出到主控制器之後，系統輸出PV為エ業過程輸出。
全文摘要
本發明提供了一種基於兩步法的遲滯控制方法，其特徵在於該方法在MATLAB的SIMULINK中建立閥門遲滯模型和工業過程模型，在OPTO22中建立基於預測PI算法的主控制器和基於兩步法的補償控制器，再連接MATLAB和OPTO22進行通訊，構成一個以補償控制器為前饋控制器的前饋-反饋控制模型。本發明提供的方法克服了現有技術的不足，通過採用先進的控制算法來補償迴路中的閥門遲滯，無需停產就能有效消除工業控制迴路中由閥門遲滯引起的振蕩，抗幹擾性強，實現形式簡單，控制效果好，可用於實際工業過程。
文檔編號F16K31/00GK102705561SQ20121016562
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者任正雲, 呂駿, 張欣, 陶巍 申請人:東華大學