附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法技术

本发明专利技术公开了一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，在控制回路中，引入了控制器输出方差约束，限制被控对象的变化，通过约束控制器的输出方差从而限制被控对象的波动频率与范围，从而保证一方面被控对象不会剧烈的波动，同时回路的输出方差尽可能小，从而降低外在扰动对回路的干扰。本发明专利技术通过逐步扩大PI参数的寻优范围，逐步地扩大区域，在限定区域中寻找最小输出方差，这样既能够保证所寻找的PI参数在最小输出方差性能评估中有着良好的应用，同时保证了寻优结果不至于使得控制器输出变化过大，这样可以兼顾两个优化目标，从而为企业高效绿色低能耗生产提供有力的保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及控制回路中的PI参数寻优，具体涉及一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法。
技术介绍
在工业过程回路中，输出端的噪声扰动会影响系统的实际输出，从而导致输出偏差，如果偏差过大，系统会不稳定或者与工业生产实际规划相差较大，这些都会严重的制约企业的生产制造与经济效益。在过程回路中，应用面最为广泛的就是PI控制器，它较PID控制器而言结构更为简单，具有易操作等优点，因此广泛应用于工业生产过程中，但是PI控制器的参数如何设定对控制回路的影响十分显著。现有的PID、PI控制器参数整定方法大多基于经验和已有的固定模式，这些都只能够保证控制回路稳定，不能够保证控制回路在抑制输出端噪声等方面有所建树。被控对象在工业回路中十分常见，在生产过程中的作用不言而喻，被控对象的良好特性每年会给企业节省大量的支出成本、带来巨大的经济利益。理想的被控对象尽量不要频繁波动。如果频繁波动，会加速磨损与老化，不仅会增加工业运行负担，甚至会引发回路振荡等问题。同时被控对象频繁波动，也消耗过多的能量，在长期的化工生产过程中会给企业带来不小的项目支出。因此，既要保证控制回路的输出方差尽可能小，还要保证控制器输出不会给被控对象造成较大的负担，合适的PI参数寻优方法就显得尤为重要。现代工业流程更为复杂，规模化集成化数字化一体化进程在不断加快，传统PI控制器参数整定方法已经无法跟上时代的发展步伐。面对日益复杂的过程对象，传统方法在逐渐被更为现代的方法所取代。为了控制回路的输出方差，采用一种现代的基于数据驱动的迭代凸规划的方法，通过对回路传递函数等数据的采集与分析，迭代寻优，寻找一组合适的PI参数，使得控制回路稳定可靠，同时输出方差最小，达到基本的控制目标。
技术实现思路
为解决控制回路不稳定、控制回路在抑制输出端噪声严重、控制回路输出方差大等问题，本专利技术提出一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，旨在通过计算回路的最小输出方差从而对控制回路进行性能评估,并最终给出PI控制器得参数kp、ki。一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，包括如下步骤：步骤1，PI控制器的控制回路搭建完成之后，采集噪声扰动的离散传递函数N(z-1)，选取矩阵维度m，对噪声扰动的离散传递函数N(z-1)求取m维度的单位脉冲响应，构建m×1维度的矩阵n，求取m维度的单位阶跃响应，构建m×1维度的矩阵n2；步骤2，对于过程的离散传递函数P(z-1)，求取m维度的单位阶跃响应Np，并且扩展成维度m×m的矩阵S；步骤3，计算出迭代优化的其他常量H、G、Q、F；步骤4，第一次寻优：根据构建的迭代凸规划寻优模型，计算得到闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差min_y_2，以及在达到最小方差情况下回路PI控制器输出信号u(k)的方差max_u_2，作为步骤5中u_expection_limit参数设定的参考依据；步骤5，设定控制器输出的约束u_expection_limit，设置初始迭代方向，并且于逐步地寻优，找到PI控制器输出信号u(k)的方差z2迭代到期望目标u_expection_limit时得闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差z1，并且给出控制回路的寻优参数c1，c2，反推得到PI控制器的参数k1，k2。在步骤1中，运用MTALAB中自带的求取离散传递函数的单位脉冲响应函数dimpulse求取列向量n，即n＝dimpulse(Nnum_n,Nden_n,m)，运用MTALAB中自带的求取单位阶跃响应函数dstep求取列向量n2，即n2＝dstep(Nnum_n,Nden_n,m)。其中，多项式Nnum_n为噪声扰动的离散传递函数N(z-1)的分子系数，多项式Nden_n其为噪声扰动的离散传递函数N(z-1)的分母系数，正整数m是矩阵维度。正整数m的参考范围为40到正无穷大，提升矩阵维度可以提高计算精度但也会加重计算负担，因此在这里矩阵维度最小设置为40，实际计算过程中可以扩大矩阵维度m来提高精度。步骤2的具体步骤如下：步骤2-1，运用MTALAB中自带的求取单位阶跃响应函数dstep求取列向量Np，即Np＝dstep(Nnum_p,Nden_p,m)；si(i＝1,2,3...m)是过程的离散传递函数P(z-1)的单位阶跃响应的每一拍的数值，构成Np的每一列的元素，计算结果形式如下所示： N P = s 1 s 2 s 3 s 4 · · · s m ; ]]>步骤2-2，利用Np的每一列的元素，扩展成维度m×m的矩阵S，Np与S的关系为：其中，多项式Nnum_p为过程的离散传递函数P(z-1)的分子系数，多项式Nden_p为过程的离散传递函数P(z-1)的分母系数。在步骤3中， Q = 1 ... 1 0 ... 0 0 ... 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤1，PI控制器的控制回路搭建完成之后，采集噪声扰动的离散传递函数N(z‑1)，选取矩阵维度m，对噪声扰动的离散传递函数N(z‑1)求取m维度的单位脉冲响应，构建m×1维度的矩阵n，求取m维度的单位阶跃响应，构建m×1维度的矩阵n2；步骤2，对于过程的离散传递函数P(z‑1)，求取m维度的单位阶跃响应Np，并且扩展成维度m×m的矩阵S；步骤3，计算出迭代优化的其他常量H、G、Q、F；步骤4，第一次寻优：根据构建的迭代凸规划寻优模型，计算得到闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差min_y_2，以及在达到最小方差情况下回路PI控制器输出信号u(k)的方差max_u_2，作为步骤5中u_expection_limit参数设定的参考依据；步骤5，设定控制器输出的约束u_expection_limit，设置初始迭代方向，并且于逐步地寻优，找到PI控制器输出信号u(k)的方差z2迭代到期望目标u_expection_limit时得闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差z1，并且给出控制回路的寻优参数c1，c2，反推得到PI控制器的参数k1，k2。...

【技术特征摘要】
1.一种附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤1，PI控制器的控制回路搭建完成之后，采集噪声扰动的离散传递函数N(z-1)，选取矩阵维度m，对噪声扰动的离散传递函数N(z-1)求取m维度的单位脉冲响应，构建m×1维度的矩阵n，求取m维度的单位阶跃响应，构建m×1维度的矩阵n2；步骤2，对于过程的离散传递函数P(z-1)，求取m维度的单位阶跃响应Np，并且扩展成维度m×m的矩阵S；步骤3，计算出迭代优化的其他常量H、G、Q、F；步骤4，第一次寻优：根据构建的迭代凸规划寻优模型，计算得到闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差min_y_2，以及在达到最小方差情况下回路PI控制器输出信号u(k)的方差max_u_2，作为步骤5中u_expection_limit参数设定的参考依据；步骤5，设定控制器输出的约束u_expection_limit，设置初始迭代方向，并且于逐步地寻优，找到PI控制器输出信号u(k)的方差z2迭代到期望目标u_expection_limit时得闭环系统回路输出信号y(k)的最小方差z1，并且给出控制回路的寻优参数c1，c2，反推得到PI控制器的参数k1，k2。2.如权利要求1所述的附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，其特征在于：在步骤1中，运用MTALAB中自带的求取离散传递函数的单位脉冲响应函数dimpulse求取列向量n＝dimpulse(Nnum_n,Nden_n,m)，运用MTALAB中自带的求取单位阶跃响应函数dstep求取列向量n2＝dstep(Nnum_n,Nden_n,m)；其中，多项式Nnum_n为噪声扰动的离散传递函数N(z-1)的分子系数，多项式Nden_n其为噪声扰动的离散传递函数N(z-1)的分母系数，正整数m是矩阵维度。3.如权利要求1所述的附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，其特征在于：步骤2的具体步骤如下：步骤2-1，运用MTALAB中自带的求取单位阶跃响应函数dstep求取列向量Np＝dstep(Nnum_p,Nden_p,m)；si(i＝1,2,3...m)是过程的离散传递函数P(z-1)的单位阶跃响应的每一拍的数值，构成Np的每一列的元素，计算结果形式如下所示： N P = s 1 s 2 s 3 s 4 . . . s m ; ]]>步骤2-2，利用Np的每一列的元素，扩展成维度m×m的矩阵S，Np与S的关系为：其中，多项式Nnum_p为过程的离散传递函数P(z-1)的分子系数，多项式Nden_p为过程的离散传递函数P(z-1)的分母系数。4.如权利要求1所述的附带控制器输出约束的PI控制回路性能评估方法，其特征在于：在步骤3中， Q = 1 ... 1 0 ... 0 0 ... 0 0 ... 0 0 ... 0 1 ... 1 0 ... 0 0 ... 0 0 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢磊，陈明，吴杭天，张志铭，苏宏业，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33