專利名稱：一種基于兩步法的遲滯控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于兩步法的遲滯控制方法，用于對(duì)工業(yè)過(guò)程中閥門遲滯導(dǎo)致的回路振蕩進(jìn)行補(bǔ)償控制，屬于先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
閥門遲滯是造成工業(yè)系統(tǒng)振蕩的重要原因，也是閥門控制中最普遍、最難被克服的問(wèn)題之一。Honeywell公司通過(guò)歷時(shí)2年的調(diào)查研究，對(duì)連續(xù)工業(yè)過(guò)程中26000個(gè)PID控制回路系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論只有1/3的控制回路系統(tǒng)性能良好，而其它控制回路系統(tǒng)性能都有待改善。研究指出，工業(yè)過(guò)程中控制系統(tǒng)性能改善I %或能源利用率提高I %，就會(huì)帶來(lái)幾千萬(wàn)甚至幾億美元的利潤(rùn)?，F(xiàn)代工業(yè)過(guò)程中，一般企業(yè)即使檢測(cè)出控制閥粘滯特性的存在，也不會(huì)因此而停 產(chǎn)維護(hù)，因?yàn)橥．a(chǎn)造成的損失更大。一般企業(yè)設(shè)備維護(hù)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(huì)增加企業(yè)的能耗而且會(huì)加速設(shè)備的磨損。因此設(shè)計(jì)不需要停產(chǎn)維護(hù)就能克服控制閥粘滯特性的控制器，對(duì)工業(yè)過(guò)程節(jié)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(bǔ)償方法，但有些只停留在理論研究，不能運(yùn)用到復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；有些雖能夠應(yīng)用在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，卻存在一些弊端 Hagglund于2002年提出一種遲滯控制方法，即將Knocker信號(hào)加入到控制信號(hào)中去，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行遲滯補(bǔ)償。此方法存在一些缺陷=Knocker信號(hào)是一系列的脈沖信號(hào)，其三個(gè)參數(shù)的大小會(huì)影響補(bǔ)償作用的好壞knocker補(bǔ)償控制參數(shù)多，整定困難，屬于靜態(tài)補(bǔ)償，即一旦參數(shù)設(shè)定，運(yùn)行中便不能改變，并且輸出波動(dòng)的減弱是以閥門頻繁動(dòng)作為代價(jià)的，這是工程上所不期望的。
Srinivasan等人于2007年提出一種“兩步法”粘滯特性補(bǔ)償器。該方法的整個(gè)分析過(guò)程是在單參數(shù)模型的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，其補(bǔ)償器需要準(zhǔn)確的模型遲滯參數(shù)d，且只能在沒(méi)有任何外界干擾的理想情況下運(yùn)行，這在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中幾乎做不到。此外，該補(bǔ)償器的閥門位置不可測(cè)。此方法純屬于理論研究。上述閥門遲滯控制方法都存在各自的局限性，其補(bǔ)償效果并不令人滿意。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)需停產(chǎn)就能消除工業(yè)回路中的振蕩、抗干擾性強(qiáng)、滿足工業(yè)應(yīng)用高質(zhì)量和低能耗要求的閥門遲滯補(bǔ)償控制方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于兩步法的遲滯控制方法，該方法分為以下3個(gè)步驟步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和工業(yè)過(guò)程模型；步驟2 :在0PT022中，建立基于預(yù)測(cè)PI算法的主控制器和基于兩步法的補(bǔ)償控制器，其控制算法如下
預(yù)測(cè)PI 算法的輸入輸出關(guān)系為 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(guò)程增益的倒數(shù)，Ti為控制過(guò)程主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)，L為控制過(guò)程滯后時(shí)間；定義系統(tǒng)誤差Error = SP-PV，其中SP為系統(tǒng)輸入，PV為系統(tǒng)輸出；Stiction為一個(gè)小于系統(tǒng)輸入SP的設(shè)定值，當(dāng)Error大于或者等于Stiction時(shí),采用主控制器,否則采用補(bǔ)償控制器；結(jié)合圖4，補(bǔ)償控制器的算法如下定義Count為計(jì)數(shù)器、Period為控制周期、Flag為標(biāo)志位，OP為主控制器輸出，設(shè)定Count、Period 和 Flag 的初始值，F(xiàn)lag = 0, Count 從 0 開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)Count = PeriocUFlag = 0 且 Error ^ 0 時(shí)，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；當(dāng)Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 時(shí)，OP = OP-Stiction, Flag = I ；當(dāng)Count > Period 且 Flag = I 時(shí)，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步驟3 :連接MATLAB和0PT022進(jìn)行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、工業(yè)過(guò)程模型依次連接構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋控制模型，補(bǔ)償控制器并聯(lián)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后，系統(tǒng)輸出PV為工業(yè)過(guò)程輸出。本發(fā)明提供的一種基于兩步法的遲滯控制方法，當(dāng)外界有干擾時(shí)，控制回路能夠在兩步之后回歸穩(wěn)態(tài)，保持良好的運(yùn)行效果；該方法所需控制參數(shù)少，且控制參數(shù)物理意義明確，便于參數(shù)整定。本發(fā)明提供的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)采用先進(jìn)的控制算法來(lái)補(bǔ)償回路中的閥門遲滯，無(wú)需停產(chǎn)就能有效消除工業(yè)控制回路中由閥門遲滯引起的振蕩，抗干擾性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，控制效果好，可用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程。
圖I本發(fā)明提供的一種基于兩步法的遲滯控制方法控制回路框圖；圖2是閥門遲滯模型無(wú)遲滯時(shí)的閥門輸出(MV)和系統(tǒng)輸出(PV)對(duì)比圖；圖3是閥門遲滯模型存在遲滯時(shí)的閥門輸出(MV)和控制器輸出(OP)對(duì)比圖；圖4為本實(shí)施例中基于兩步法的補(bǔ)償控制器的算法流程圖；圖5為本實(shí)施例中沒(méi)有干擾時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形；圖6為本實(shí)施例中加干擾后未采用補(bǔ)償控制器時(shí)系統(tǒng)輸出波形；圖7為本實(shí)施例中加干擾后采用補(bǔ)償控制器時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形；
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。0PT022成立于1974年，主要涉及工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控及企業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的硬件和軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造。通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)和商用互聯(lián)網(wǎng)、組網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，0PT022的輸入/輸出和控制系統(tǒng)允許客戶對(duì)所有機(jī)械、電氣和電子資產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、控制和采集。本發(fā)明開(kāi)發(fā)了基于0PT022PAC Project Professional的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制軟件。PAC Project Professional 包括以下幾部分組成PAC Control、PAC Display、0PT0 OPCServer>PAC Manager等。算法采用PAC Control腳本語(yǔ)言進(jìn)行編程,用戶監(jiān)控界面采用PACDisplay進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)。圖I所示為本發(fā)明提供的一種基于兩步法的遲滯控制方法控制回路框圖，該方法分為以下3個(gè)步驟步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和工業(yè)過(guò)程模型；步驟2 :在0PT022中，建立基于預(yù)測(cè)PI算法的主控制器和基于兩步法的補(bǔ)償控制器，其控制算法如下預(yù)測(cè)PI算法的輸入輸出關(guān)系為:—)=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(guò)程增益的倒數(shù)， Ti為控制過(guò)程主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)，L為控制過(guò)程滯后時(shí)間；定義系統(tǒng)誤差Error = SP-PV，其中SP為系統(tǒng)輸入，PV為系統(tǒng)輸出；結(jié)合圖2，Stiction為一個(gè)小于系統(tǒng)輸入SP的設(shè)定值，當(dāng)Error大于或者等于Stiction時(shí),采用主控制器，否則采用補(bǔ)償控制器；結(jié)合圖4，補(bǔ)償控制器的算法如下定義Count為計(jì)數(shù)器、Period為控制周期、Flag為標(biāo)志位,OP為主控制器輸出，設(shè)定Count、Period和Flag的初始值，F(xiàn)lag = 0, Count從0開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)Count = Period、Flag = 0 且 Error ^ 0 時(shí)，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；當(dāng)Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 時(shí)，OP = OP-Stiction, Flag = I ；當(dāng)Count > Period 且 Flag = I 時(shí)，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步驟3 :連接MATLAB和0PT022進(jìn)行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、工業(yè)過(guò)程模型依次連接構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋控制模型，補(bǔ)償控制器并聯(lián)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后，系統(tǒng)輸出PV為工業(yè)過(guò)程輸出。以上控制系統(tǒng)中補(bǔ)償控制器實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了以下兩步功能第一步，使調(diào)節(jié)閥克服閥門遲滯移動(dòng)到合適的開(kāi)度位置；第二步，移動(dòng)閥門到穩(wěn)定狀態(tài)下其應(yīng)該處于的位置，并使閥門一直保持在該穩(wěn)定位置。給系統(tǒng)一個(gè)激勵(lì)信號(hào)SP作為系統(tǒng)輸入，SP經(jīng)主控制器和補(bǔ)償控制器傳輸?shù)介y門遲滯模型，輸出信號(hào)MV，信號(hào)MV經(jīng)補(bǔ)償控制器向閥門遲滯模型發(fā)出前饋信號(hào)，閥門遲滯模型在接受主控制器指令進(jìn)行動(dòng)作的同時(shí)，又及時(shí)地受到前饋信號(hào)的調(diào)控，因此動(dòng)作可以更加準(zhǔn)確。閥門遲滯模型輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)工業(yè)過(guò)程輸出，工業(yè)過(guò)程輸出信號(hào)PV負(fù)反饋到系統(tǒng)輸入端，使控制系統(tǒng)的誤差逐步減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。建立上述控制系統(tǒng)的仿真模型，當(dāng)閥門遲滯模型無(wú)遲滯時(shí)，閥門遲滯模型輸出MV和系統(tǒng)輸出PV如圖2所示，MV和PV趨于一致；當(dāng)閥門遲滯模型有遲滯時(shí)，閥門遲滯模型輸出MV和主控制器輸出OP如圖3所示，MV振幅明顯小于0P，證明補(bǔ)償控制器起到了很好的補(bǔ)償效果；圖5為沒(méi)有干擾時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形,在系統(tǒng)輸出PV上加一個(gè)階躍信號(hào)作為干擾，加干擾后未米用補(bǔ)償控制器時(shí)，系統(tǒng)輸出波形如圖6所不,系統(tǒng)輸出偏離目標(biāo)輸出較大；加入補(bǔ)償控制器后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形如圖7所示，系統(tǒng)輸出基本在目標(biāo)輸出附近波動(dòng)，與圖5中沒(méi)有干擾時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出波形相似，證明本發(fā)明提出的一種基于兩步法的遲滯控制方法具有很 好的控制效果。
權(quán)利要求
1.ー種基于兩步法的遲滯控制方法，其特征在于該方法分為以下3個(gè)步驟 步驟I :在MATLAB的SMULINK中，建立閥門遲滯模型和エ業(yè)過(guò)程模型； 步驟2 :在0PT022中，建立基于預(yù)測(cè)PI算法的主控制器和基于兩步法的補(bǔ)償控制器，其控制算法如下 預(yù)測(cè)PI算法的輸入輸出關(guān)系為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(guò)程増益的倒數(shù)，Ti為控制過(guò)程主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)，L為控制過(guò)程滯后時(shí)間； 定義系統(tǒng)誤差Error = SP-PV，其中SP為系統(tǒng)輸入，PV為系統(tǒng)輸出；Stiction為ー個(gè)小于系統(tǒng)輸入SP的設(shè)定值，當(dāng)Error大于或者等于Stiction時(shí),采用主控制器,否則采用補(bǔ)償控制器；補(bǔ)償控制器的算法如下 定義Count為計(jì)數(shù)器、Period為控制周期、Flag為標(biāo)志位，OP為主控制器輸出，設(shè)定Count、Period 和 Flag 的初始值，F(xiàn)lag = O, Count 從 O 開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng) Count = Period、Flag = O 且 Error > O 時(shí)，OP = OP+Stiction, Flag = I ；當(dāng) Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 時(shí)，OP = OP-Stiction, Flag = I ；當(dāng) Count > Period 且 Flag = I 時(shí)，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ； 步驟3 :連接MATLAB和0PT022進(jìn)行通訊，使主控制器與閥門遲滯模型、エ業(yè)過(guò)程模型依次連接構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋控制模型，補(bǔ)償控制器并聯(lián)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后，系統(tǒng)輸出PV為エ業(yè)過(guò)程輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于兩步法的遲滯控制方法，其特征在于該方法在MATLAB的SIMULINK中建立閥門遲滯模型和工業(yè)過(guò)程模型，在OPTO22中建立基于預(yù)測(cè)PI算法的主控制器和基于兩步法的補(bǔ)償控制器，再連接MATLAB和OPTO22進(jìn)行通訊，構(gòu)成一個(gè)以補(bǔ)償控制器為前饋控制器的前饋-反饋控制模型。本發(fā)明提供的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)采用先進(jìn)的控制算法來(lái)補(bǔ)償回路中的閥門遲滯，無(wú)需停產(chǎn)就能有效消除工業(yè)控制回路中由閥門遲滯引起的振蕩，抗干擾性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，控制效果好，可用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程。
文檔編號(hào)F16K31/00GK102705561SQ20121016562
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者任正云, 呂駿, 張欣, 陶巍 申請(qǐng)人:東華大學(xué)