單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器及控制方法技術

本發明專利技術涉及一種單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器及控制方法，主要解決現有技術中存在非自衡生產過程建模困難，所得控制系統穩定性難以分析，控制器調節參數多的問題。本發明專利技術通過采用單控制器，只需對被控對象實施脈沖響應測試獲得生產過程的預測模型，通過構建單自由度的控制輸入，利用新穎的誤差反饋校正方法，搭建預測函數控制算法：(1)建立單自由度控制輸入：選擇未來系統控制輸入由一個基函數加權組成；(2)對被控對象實施脈沖信號激勵獲得過程模型；(3)建立未來系統期望性能指標；(4)未來預測輸出的推導；(5)搭建特殊化的誤差反饋校正；(6)控制系統的穩定性保證及跟蹤設定值零偏差的技術方案，較好地解決了該問題，可用于非自衡生產過程的操作優化控制。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器及其控制方法。
技術介紹
在實際工業過程控制應用中，常見一類對象，即在系統發生輸入信號激勵的情況 下，被控系統不能自己達到新的平衡，其過程輸出值將一直增加或減小下去，稱此類系統為 非自衡系統。常見的非自衡對象包括精餾塔、蒸餾塔、汽提塔等裝置的液位，在實際操作中 能否很好的控制這些裝置從而減少對下游裝置的影響非常關鍵。 目前針對此類系統的控制方法主要是對常規PID調節器的校正應用，但這類方法 的缺點依然表現在針對非自衡系統需要借助2個以上的調節器才能確保系統穩定，導致了 控制方法中調節參數過多，而且這些調節參數大多數基于所得的傳遞函數模型，局限性較 大，且控制效果不好。此外，PID調節器屬于被動調節策略，通常是在外界發生干擾或者系 統參數發生攝動后才調節控制輸入，從而使得相應的控制系統魯棒性能不好，難以給出很 好的控制效果。 預測函數控制方法的優點在于既能適應于快速對象，又能適用于慢過程對象，在 實際工業中已有很多應用，而且預測函數控制對于過程模型沒有過多的要求，只要能方便 再現過程的特征，則相關信息都可用來表示過程模型。鑒于在實際控制操作中，可以很方便 以測試方法獲得過程模型，此外由于非自衡生產過程在外加脈沖信號后，其響應值將在未 來時間段為常數的特點，所以可以方便通過外加測試信號來獲得過程模型。所以，借助研究 脈沖信號測試方法設計非自衡生產過程的預測函數控制算法具有現實意義。 Hou Z. S.教授在文獻《The model-free learning adaptive control of a class of SIS0 nonlinear systems》（Proc. of American Control Conf. , New Mexico, 1997:343-344)中，通過引入偏微分的概念，避免了非線性過程的建模問題，是一種較好的 非線性過程的控制方法，但是其沒有給出具體的系統參數調節方法，更沒有利用系統的未 來預測信息。在實際中由于預測控制算法能很好利用預測模型，反饋校正等概念等到了更 好的工程應用，其中預測函數控制方法由于其結構化的控制輸入形式得到了更多人的關 注。為此開發結合無須辨識模型及實現簡單的非線性預測模型方法非常必要。 目前針對此類系統的控制主要是對常規PID調節器的校正應用，Majhi教授在文 獻〈〈Modified smith predictor and controller for processes with time delay)) (IEE Proc.-Control Theory Appl. 1999,140(5)，359-366)提出了針對此類系統的PID控制新 方法，后續又有其他類似的方法出現，但這類方法的缺點依然表現在針對非自衡系統需要 借助2個以上的調節器才能確保系統穩定，導致了控制方法中調節參數過多，而且這些調 節參數大多數基于所得的傳遞函數模型，局限性較大。此外，PID調節器屬于被動調節策略， 通常是在外界發生干擾或者系統參數發生攝動后才調節控制輸入，從而使得相應的控制系 統魯棒性能不好，難以給出很好的控制效果，針對具體塔液位控制在外界干擾存在的情況 下，不能及時消除外界影響，導致塔液位波動，影響下游生產。 預測函數控制（PFC)是Richalet和Kuntze于20世紀80年代提出的第三代模型 預測控制算法，視控制輸入的結構為關鍵，可以克服其它模型預測控制可能出現規律不明 的控制輸入問題。由于乙苯脫氫生產中控制輸入影響控制輸出關系較復雜，所以利用PFC 來研究乙苯催化脫氫系統的預測控制非常必要，通過PFC中基函數的選擇使得控制系統的 輸入規律更加明確，控制性能更高。因此，本專利技術借助預測函數控制來設計多輸入多輸出乙 苯脫氫生產過程的先進控制方法具有現實意義。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是現有技術中存在單輸入單輸出非自衡生產過程建 模困難，所得控制系統穩定性難以分析，控制器調節參數多的問題。該方法具有保證控制系 統魯棒穩定及跟蹤設定值無偏差，控制器參數調節方便的優點。 為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案如下：一種單輸入單輸出非自衡生 產過程的控制器，所述的控制器根據非自衡生產過程的特點，利用對非自衡生產過程實施 脈沖信號激勵，采集實際測試數據建立脈沖響應模型，通過搭建單自由度控制輸入，利用誤 差反饋校正方法和預測函數控制算法，控制信號的單輸入或單輸出。 上述技術方案中，所述的單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器的控制方法，通 過搭建單自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預測函數控制算法，控制信號的單輸 入或單輸出，搭建預測函數控制算法，包括以下步驟： (1) 建立單自由度控制輸入：選擇未來過程控制輸入由一個基函數加權組成； u(k) = u(k+j) = ^(k) (j = 1,2,· ·, A'j -1) (2) 對被控對象實施脈沖信號的激勵獲得過程測試模型； (3) 建立未來系統期望性能指標； (4) 未來預測輸出的推導； (5) 搭建特殊化的誤差反饋校正； (6) 控制系統的穩定性分析及跟蹤設定值零偏差的保證； 其中《(Α;)為系統當前控制輸入，為系統未來期望輸入，為控制輸入加權 系數。 上述技術方案中，優選的技術方案為，所述的單輸入單輸出非自衡生產過程的控 制器的控制方法，其特征在于，非自衡生產過程特征如下： 單輸入單輸出非自衡生產過程可描述為：本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器，所述的控制器根據非自衡生產過程的特點，利用對非自衡生產過程實施脈沖信號激勵，采集實際測試數據建立脈沖響應模型，通過搭建單自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預測函數控制算法，控制信號的單輸入或單輸出。

【技術特征摘要】
1. 一種單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器，所述的控制器根據非自衡生產過程的 特點，利用對非自衡生產過程實施脈沖信號激勵，采集實際測試數據建立脈沖響應模型，通 過搭建單自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預測函數控制算法，控制信號的單輸 入或單輸出。2. 權利要求1所述的單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器的控制方法，通過搭建單 自由度控制輸入，利用誤差反饋校正方法和預測函數控制算法，控制信號的單輸入或單輸 出，搭建預測函數控制算法，包括以下步驟： (1) 建立單自由度控制輸入：選擇未來過程控制輸入由一個基函數加權組成；(2) 對被控對象實施脈沖信號的激勵獲得過程測試模型； (3) 建立未來系統期望性能指標； (4) 未來預測輸出的推導； (5) 搭建特殊化的誤差反饋校正； (6) 控制系統的穩定性分析及跟蹤設定值零偏差的保證； 其中a(i)為系統當前控制輸入，為系統未來期望輸入，A#)為控制輸入加權 系數。3. 根據權利要求2所述的單輸入單輸出非自衡生產過程的控制器的控制方法，其特征 在于，非自衡生產過程特征如下： 單輸入單輸出非自衡生產過程可描述為：(1) 其中寫是非自衡生產過程的脈沖響應系數，是過程輸入，辦(句是過程輸出；由于 非自衡對象脈沖響應的特殊性，由圖1可知其脈沖響應系數5在某一步長F后保持常值 利用這個特點，式（1)簡化為(2) 將式（2)變換到Z域，有(3)表示非自衡生產過程傳遞函數的穩定部分，且-n ； s0 = 0 對上式做等價變換，得非自衡生產過程的脈沖響應模型 則基于設計控制器的預測模型可表示為 (4) (5) Μ 式中σΜι⑷= Σ(α-%4)^表示非自衡生產過程模型的穩定部分，且。_η ;則模型未 ?-l so - u 來預測輸出為(6) 為給出系統的穩定性分析結果，給出如下三個定義： 定義4. 1.賢包含脈沖響應系數在最小值§和最大值?;之間的所有對象，記為(7) 且有 Δ31 =: {Δ^ <Δ^ <Δ^,? (8) 其中 Δ今==g , = Sj - , = Sj - Sj_i,備=Ο , s〇 = Ο ; 在如上給定對象不確定描述下，SH包含了脈沖響應系數在S和_之間的所有對象； 定義4....

【專利技術屬性】
技術研發人員：張彬，劉文杰，郭毅，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11