基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法技术方案

基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，用于过程工业控制系统。该方法包括控制器Q、含有饱和环节的被控对象Gp、被控对象的内部模型Gm以及三个静态补偿器K1、K2、K3；通过在原有的内模控制系统基础上进行静态前馈分析，分别就饱和现象引起的控制器输入偏差、控制器输出偏差和对象输出减缓引起的控制器输出偏差进行补偿。通过在原有内模控制系统中引入3个补偿回路，改善了对象的输出响应。与现有技术相比，本发明专利技术是基于对象的传递函数进行控制器、补偿器设计，使工程师更容易理解；同时，本发明专利技术与传统的抗饱和内模控制思想不同，是以静态前馈补偿思想改善对象的输出响应，在实际应用中有更高的可实现性。

【技术实现步骤摘要】
基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法
本专利技术涉及一种基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，包括抗饱和内模控制系统结构和补偿器设计方法，主要应用于控制工程领域。
技术介绍
在实际的工业控制中，输入饱和现象是普遍存在的。例如，带有阀门的管道流量，最大只能到达阀门开度为100％的流量值，无法突破；再例如，泵能够输出的流量，最大只能达到泵转速最大时的流量值，这也无法无限制的增加。种种实际案例表明，在工业中普遍含有输入饱和现象。然而，输入饱和现象，对于控制系统控制效果的影响的是不可忽略的。这是因为，输入饱和现象的存在，导致控制器的输出与对象的输入不相等，使得对象的输出要慢于控制器预期的输出，控制效果变差。如图2的曲线2和曲线3，可以发现，当对象出现输入饱和现象(如曲线2)时，对象输出的斜率是有限制的，小于无输入饱和现象的输出曲线(如曲线3)，以至于对象输出的调整时间变长，控制性能下降，这就造成实际工业过程中原料的浪费增加，污染物排放增加。针对具有输入饱和现象的控制系统设计与改进，前人已经有了一定的研究成果。而基于内模控制系统的抗饱和策略，应用较为广泛的是Kothare等在“AUnifiedFrameworkfortheStudyofAnti-WindupDesigns.ControlandDynamicalSystem.1993”中提出的，主要思想是通过对饱和结构进行补偿，提出了抗饱和无扰动转换(AWBT)结构，用以减小饱和带来的影响。上述这两种方法是目前大多数抗饱和内模控制器设计的基础。就基于补偿思想的抗饱和控制的专利方面，王景成等在2005年发表了“误差反馈抗饱和静态补偿控制器及补偿器的确定方法”(申请号：200410066784.4)。该专利技术利用Mulder等在“Multivariableanti-windupcontrollersynthesisusinglinearmatrixinequalities.Automatica.2001,37:1407-1416”发表的基于线性矩阵不等式进行AWBT结构设计的基础上，增加误差反馈回路，改善控制器的控制效果。然而，现有的抗饱和控制技术仍存在一些缺点。首先，基于线性矩阵不等式的AWBT抗饱和控制策略，主要以状态空间模型为研究基础，对于工程师的理解较为困难。其次，上述方法需要建立线性矩阵不等式，过程复杂，且要保证理想的控制效果需要有精确的被控对象模型。再次，王景成等通过手动调整设计补偿器，难以保证对象输出达到最优。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种抗饱和的内模控制系统结构和设计方法，该方法主要依据静态补偿的思想进行抗饱和补偿器的设计。该结构是在已有的内模控制结构基础上，增加了3个静态补偿回路；同时采用智能优化算法，确定3个补偿回路中补偿器的参数。基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，按照传统内模控制器方法设计内模控制器Q，构成基础的内模控制回路；第二步，观察控制器输出和对象输入，判断控制器输出是否超出对象输入饱和范围，若超出，则在已经设计好的内模控制回路上增加3个静态前馈补偿回路，在这3个补偿回路中，分别含有3个静态补偿器，即(1)输出静态前馈补偿器K1，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的动态过程中，实际输出比预期输出减小的部分；(2)输入静态前馈补偿器K2，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输出大于对象输入的部分；(3)偏差静态前馈补偿器K3，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输入偏差增大的部分；第三步，通过任意智能优化算法来确定静态补偿器K1、K2、K3的参数数值。下面首先分析输入饱和现象对对象输出响应y的影响，该分析方法不只局限于抗饱和内模控制结构。输入饱和现象对系统动态性能的影响主要是在控制器输出u超出对象输入饱和范围[ul,uu]的阶段。其中，ul和uu分别表示输入饱和值的下限和上限。此时，对象输入u’不等于控制器输出u，而是等于输入饱和值。而一旦控制器输出u在对象输入饱和范围内时，对象的输入u’就等于控制器输出u。在控制器输出处于饱和阶段时，若以上限饱和为例，对象输入u’会小于控制器输出u，这就导致对象的输出y比预期的输出小。另外，由于处于饱和时期所输入的控制能量E小于实际所需要的控制能量E’，使得带有饱和现象的对象输出y比无饱和的对象输出响应慢。实际上，由于反馈回路的存在，饱和现象还不仅只影响控制器输出u和对象输出y，它同时还影响控制器的输入e。这是因为在输入饱和期间，对象的输出y比预期的输出小，导致实际控制器的输入e＝r-y比预期的大，造成了更大的偏差。总结地说，由于饱和现象的存在，对系统的动态性能的影响主要体现在三个方面：1)使得处于饱和阶段的对象输入小于实际所需的对象输入。2)使得处于饱和阶段的对象输出小于实际需要达到的对象输出。3)使得处于饱和阶段的控制器输入大于实际需要的控制器输出。综上分析，为了提升带有饱和系统的动态性能，应当对该系统控制结构进行补偿。按照定性分析的结果，应该根据需要对系统进行三种补偿。首先，处于饱和阶段的对象输出小于实际需要达到的对象输出，将设定值与对象输出的偏差引入控制器输出以补偿由对象输出减小引起的偏差。其次，将控制器输出与对象输入的差看做是一种干扰，这是引起控制器控制效果的主要原因。利用前馈的思想，将这种干扰补偿至控制器输出端。然而由于饱和特性的非线性特性，本专利技术中采用静态补偿的方法补偿饱和特性对控制器输出的影响。最后，控制器输出与对象输入的差异，还间接使控制器输入提高，所以该偏差也同时需要被补偿。补偿方式是将控制器输入与对象输入的差引入控制器输入端，同样采用的是静态补偿的方式。所以，在这种基于定性分析的前馈抗饱和的内模控制器设计方法中，需要加入三个静态前馈补偿回路及补偿器，分别是K1，K2和K3。图1给出了本专利技术所介绍的抗饱和内模控制结构。补偿系数K1，K2，K3的不同，会造成输出的不同效果。如图2，曲线1是系统在无饱和现象时的输出曲线，而曲线2是系统在有饱和现象时，未进行补偿的输出曲线。按照补偿的程度可以将补偿分为以下几种：如曲线3，如果补偿器补偿合理，使得在系统输出在控制器进入饱和区域内时与无饱和现象时的响应相同，这种状态被称为理想补偿状态。如曲线4，如果补偿器补偿的不够，使得系统的输出没有无饱和现象时响应那么快，这种现象被称为欠补偿状态。如曲线5，如果补偿器补偿的太多，使得系统的输出比无饱和现象时响应快，这种状态被称为过补偿状态。从对象输入看上述的几种状态，如图3所示，曲线1是无对象输入饱和时，对象的输入曲线，曲线2是含有对象输入饱和但未进行补偿时对象的输入曲线。可以看出，在含有对象输入饱和现象时，当控制器输出大于对象的饱和范围，对象输入等于输入饱和值，而当控制器输出在对象饱和范围内时，对象输入等于控制器输出。在对控制器输出进行补偿时，可以看出，在理想补偿状态，一旦由输入饱和现象引起的控制器输出缺失被补偿足够，控制器输出就与无输入饱和时的控制器输出相同(如曲线3)。而欠补偿状态，其补偿的控制器输出小于由饱和现象引起的输出缺失(如曲线4)，过补偿状态则反之(如曲线5)。一般来讲，如果不采用多控制器进行切换控制，想本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，按照传统内模控制器方法设计内模控制器Q，构成基础的内模控制回路；第二步，观察控制器输出和对象输入，判断控制器输出是否超出对象输入饱和范围，若超出，则在已经设计好的内模控制回路上增加3个静态前馈补偿回路，在这3个补偿回路中，分别含有3个静态补偿器，即(1)输出静态前馈补偿器K1，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的动态过程中，实际输出比预期输出减小的部分；(2)输入静态前馈补偿器K2，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输出大于对象输入的部分；(3)偏差静态前馈补偿器K3，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输入偏差增大的部分；第三步，通过任意智能优化算法来确定静态补偿器K1、K2、K3的参数数值。

【技术特征摘要】
1.基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，按照传统内模控制器方法设计内模控制器Q，构成基础的内模控制回路；第二步，观察控制器输出和对象输入，判断控制器输出是否超出对象输入饱和范围，若超出，则在已经设计好的内模控制回路上增加3个静态前馈补偿回路，在这3个补偿回路中，分别含有3个静态补偿器，即(1)输出静态前馈补偿器K1，该输出静态补偿器K1补偿了由输入饱和现象引起的...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳其兵，戚林锋，王琪，周星，
申请(专利权)人：北京化工大学，北京国控天成科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11