一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法技术方案

一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，包括：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比。本发明专利技术利用PI控制器原理结构简单、阶次低、鲁棒性较强等特点和数据驱动控制方法充分利用历史输入输出数据和未建模动态本身的历史数据信息等特点，更好的提取系统的动态特性，对前一时刻虚拟未建模动态进行有效估计和补偿，使得稳定性和控制效果显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法
本专利技术属于自动化设计
，特别涉及一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法。
技术介绍
在流程工业的液位控制系统中，受到变量测量、物质及信号传递等因素的影响，时间滞后现象普遍存在，使得水泵输出的控制信号延迟作用于系统液位输出，由此会产生较明显的超调量和较长的调节时间；与此同时，由于工业过程的液位控制系统结构复杂，系统又往往具有高阶特性，采用工业过程应用广泛的低阶PI或PID控制器难以获得理想的控制效果，综上分析，无论在理论方面还是工程实践方面，对高阶时滞液位系统的控制都具有极大的挑战性，如何实现对这类系统的精确稳定控制一直是研究热点。尽管Smith预估(SP)和内模控制(IMC)等方法可以处理系统时滞环节，但只对低阶系统适用，且对模型误差和扰动敏感；现代控制理论中的H2和H∞最优控制方法在时滞系统控制方面取得了一些研究成果，但上述方法求得的最优控制器往往阶次较高，一般等于或大于高阶被控对象的阶次，这使得控制器的实现成本较高，很难应用于工业现场。工业控制的主要目的是确保系统稳定性、优化系统性能，它对控制器的要求是简单有效、使用方便。相比于以上高级控制算法大多仅限于理论层面的研究，PI或PID控制器由于原理结构简单、阶次低、鲁棒性较强等特点在工业过程控制中得到了广泛的应用，如今95％以上的控制回路仍使用PI或PID控制器。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法。本专利技术的技术方案是：一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，包括以下步骤：步骤1：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；步骤2：通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；步骤3：建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比；步骤3.1：建立液位系统的低阶线性模型：A(z-1)y*(k+1)＝B(z-1)u(k)其中，y*(k+1)为液位系统的低阶线性模型输出，控制量u(k)为用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比，A(z-1)、B(z-1)为液位系统的低阶线性模型的参数多项式，A(z-1)＝1+α1z-1，B(z-1)＝β0，α1,β0均为常数；步骤3.2：将液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值作为虚拟未建模动态；步骤3.3：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型：A(z-1)y(k+1)＝B(z-1)u(k)+V[x(k)]其中，V[x(k)]为k时刻的虚拟未建模动态，y(k+1)为液位传感器实时检测的液位高度；基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型中的液位系统低阶线性模型参数多项式A(z-1)、B(z-1)是通过对液位系统进行辨识得到或者通过工业过程中的PI参数的经验值反向求解得到。步骤3.4：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型：其中，w(k)-y(k)为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，KP和KI分别为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的比例系数和积分系数，G(z-1)，H(z-1)表示为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式，H(z-1)＝1-z-1，G(z-1)＝g0+g1z-1，g0＝Kp+KI，g1＝-Kp，V[x(k-1)]为k-1时刻的虚拟未建模动态，K(z-1)为虚拟未建模动态补偿多项式；步骤3.5：采用闭环极点配置方法确定基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式H(z-1)和G(z-1)，进而得到KP和KI；步骤3.6：根据液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值求解k-1时刻的虚拟未建模动态V[x(k-1)]；步骤3.7：将基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型代入基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型，得到液位系统的闭环方程：[H(z-1)A(z-1)+z-1B(z-1)G(z-1)]y(k+1)＝B(z-1)G(z-1)w(k)+[H(z-1)-B(z-1)K(z-1)]V[x(k-1)]+H(z-1)ΔV[x(k)]其中，w(k)为设定的液位目标值，ΔV[x(k)]为虚拟未建模动态增量，Δv[x(k)]＝v[x(k)]-v[x(k-1)]；步骤3.8：令H(z-1)-B(z-1)K(z-1)＝0，确定虚拟未建模动态补偿多项式K(z-1)；步骤3.9：将KP、KI、V[x(k-1)]、K(z-1)和w(k)-y(k)代入建立的基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型，得到用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比u(k)；步骤4：根据脉冲宽度调制占空比驱动执行机构水泵，使液位高度达到液位目标值，完成液位系统控制。有益效果：本专利技术的方法结合了PI控制器和数据驱动控制方法各自的优势，利用PI控制器原理结构简单、阶次低、鲁棒性较强等特点和数据驱动控制方法充分利用历史输入输出数据和未建模动态本身的历史数据信息等特点，更好的提取系统的动态特性，对前一时刻虚拟未建模动态进行有效估计和补偿，使得稳定性和控制效果显著提升，同时，本专利技术所提方法的易操作性也使其具有广泛的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术具体实施方式的基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型结构示意图；图2为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台结构示意图；图3为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台PI控制实验结果图；图4为本专利技术多功能过程控制水箱液位实验平台的基于虚拟未建模动态补偿的PI控制实验结果图；图5为本专利技术具体实施方式对多功能过程控制水箱液位实验平台采用两种控制方法跟踪误差对比图；图6为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台的水箱液位闭环不稳定时PI控制方法的液位输出图；图7为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台的水箱液位闭环不稳定时PI控制方法的控制输出图；图8为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台的水箱液位闭环不稳定时基于虚拟未建模动态补偿的PI控制方法液位输出图；图9为本专利技术具体实施方式的多功能过程控制水箱液位实验平台的水箱液位闭环不稳定时基于虚拟未建模动态补偿的PI控制方法控制输出图；图10为本专利技术具体实施方式的基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法流程图；图11为本专利技术具体实施方式的建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型的流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。流程工业中液位系统的被控量为液位高度，是指密封容器或开口容器中液位的高度，执行机构为水泵，控制器输出量为用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制(PWM)占空比。本实施方式采用基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法改善液位系统输出对目标液位信号(参考输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；步骤2：通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；步骤3：建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比；步骤3.1：建立液位系统的低阶线性模型：A(z‑1)y*(k+1)＝B(z‑1)u(k)其中，y*(k+1)为液位系统的低阶线性模型输出，控制量u(k)为用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比，A(z‑1)、B(z‑1)为液位系统的低阶线性模型的参数多项式，A(z‑1)＝1+α1z‑1，B(z‑1)＝β0，α1,β0均为常数；步骤3.2：将液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值作为虚拟未建模动态；步骤3.3：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型：A(z‑1)y(k+1)＝B(z‑1)u(k)+V[x(k)]其中，V[x(k)]为k时刻的虚拟未建模动态，y(k+1)为液位传感器实时检测的液位高度；步骤3.4：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型：u(k)=(Kp+KI1-z-1)[w(k)-y(k)]-K(z-1)V[x(k-1)]=G(z-1)H(z-1)[w(k)-y(k)]-K(z-1)V[x(k-1)]]]>其中，w(k)‑y(k)为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，KP和KI分别为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的比例系数和积分系数，G(z‑1)，H(z‑1)表示为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式，H(z‑1)＝1‑z‑1，G(z‑1)＝g0+g1z‑1，g0＝Kp+KI，g1＝‑Kp，V[x(k‑1)]为k‑1时刻的虚拟未建模动态，K(z‑1)为虚拟未建模动态补偿多项式；步骤3.5：采用闭环极点配置方法确定基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式H(z‑1)和G(z‑1)，进而得到KP和KI；步骤3.6：根据液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值求解k‑1时刻的虚拟未建模动态V[x(k‑1)]；步骤3.7：将基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型代入基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型，得到液位系统的闭环方程：[H(z‑1)A(z‑1)+z‑1B(z‑1)G(z‑1)]y(k+1)＝B(z‑1)G(z‑1)w(k)+[H(z‑1)‑B(z‑1)K(z‑1)]V[x(k‑1)]+H(z‑1)ΔV[x(k)]其中，w(k)为设定的液位目标值，ΔV[x(k)]为虚拟未建模动态增量，Δv[x(k)]＝v[x(k)]‑v[x(k‑1)]；步骤3.8：令H(z‑1)‑B(z‑1)K(z‑1)＝0，确定虚拟未建模动态补偿多项式K(z‑1)；步骤3.9：将KP、KI、V[x(k‑1)]、K(z‑1)和w(k)‑y(k)代入建立的基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型，得到用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比u(k)；步骤4：根据脉冲宽度调制占空比驱动执行机构水泵，使液位高度达到液位目标值，完成液位系统控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，包括：步骤1：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；步骤2：通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；步骤3：建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比；其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1：建立液位系统的低阶线性模型：A(z-1)y*(k+1)＝B(z-1)u(k)其中，y*(k+1)为液位系统的低阶线性模型输出，控制量u(k)为用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比，A(z-1)、B(z-1)为液位系统的低阶线性模型的参数多项式，A(z-1)＝1+α1z-1，B(z-1)＝β0，α1，β0均为常数；步骤3.2：将液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值作为虚拟未建模动态；步骤3.3：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型：A(z-1)y(k+1)＝B(z-1)u(k)+V[x(k)]其中，V[x(k)]为k时刻的虚拟未建模动态，y(k+1)为液位传感器实时检测的液位高度；步骤3.4：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型：其中，w(k)-y(k)为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，KP和KI分别为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的比例系数和积分系数，G(z-1)，H(z-1)表示为基于虚拟未建...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良勇，曲钧天，柴天佑，迟瑛，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21