一种针对时滞过程的ADRC(Active disturbance rejection controller)-PD补偿控制系统，包括与时滞过程连接的现场过程仪表、现场分析仪表、集散控制系统（DCS）及时滞补偿控制服务器。所述的时滞补偿控制服务器包括：OPC客户端及数据接口模块、ADRC时滞补偿模块、PD（Proportional-Derivative）控制模块以及ADRC时滞补偿模块和PD控制模块参数优化设计的方法。本发明专利技术提供了一种针对时滞工业过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法。
【技术实现步骤摘要】
一种时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法
本专利技术涉及工业过程控制领域，是一种针对控制器输出存在滞后的实时控制系统，控制器采用ADRC-PD的补偿控制方法。
技术介绍
工业过程控制中，由于物料或能量的传输延迟或者控制器输出存在滞后，使得被控对象具有纯滞后的性质。当控制纯滞后时间τ与时间常数T之比的大滞后对象时，采用常规的PID控制器会使控制过程严重超调，稳定性变差。对大滞后对象，为了克服滞后，通常在PID控制器中加入较强的微分作用，但是微分对干扰有放大作用，容易导致系统不稳定。对于滞后系统的控制，SMITH预估器是经典解决方法之一(LeeTH,WangQG,TanKK.RobustSmith‐predictorcontrollerforuncertaindelaysystemsAIChEJournal,1996,42(4):1033-1040)。但SMITH预估器对估计模型的精度要求高(YamanakaK,ShimemuraE.EffectsofmismatchedSmithcontrolleronstabilityinsystemswithtime-delay[J].Automatica,1987,23(6):787-791)，在估计模型失配的情况下其对滞后的补偿作用不好。韩京清教授基于PID控制思想，结合现代控制理论，于1998年提出了自抗扰控制器(Activedisturbancerejectioncontrol，ADRC，自抗扰控制技术[J].前沿科学,2007,01:24-31.)。在传统ADRC的基础上，相继学者提出了针对滞后系统的控制方法，其中包括ADRC无视时滞法，ADRC阶次提高法，ADRC输出预估法(ZHENGQL,GAOZQ.Predictiveactivedisturbancerejectioncontrolforprocesseswithdelay[C]//Proceedingsofthe32ndChineseControlConference.Piscataway,NJ:IEEE,2013:4108–4113，ZhaoS,GaoZ.Modifiedactivedisturbancerejectioncontrolfortime-delaysystems[J].ISAtransactions,2014,53(4):882-888.)，这些改进方法在传统ADRC结构上要么通过调整参数改善控制性能，要么通过在适当位置加入超前或者滞后模块抵消滞后作用。如果已知对象的辨识模型，则可以在ADRC输入时滞法的基础上，将扩张状态观测器对系统的补偿作用简化到一个传递函数补偿模块，并在简化结构中求出控制器和补偿模块参数，实现对滞后对象的ADRC-PD补偿控制。
技术实现思路
针对滞后系统控制难度大及先进控制器结构复杂的问题，本专利技术提供了一种时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法，其关键点在于：采用辨识模型及自抗扰控制器的扩张状态观测器对时滞系统中的干扰和非线性部分(包括时滞部分)设计ADRC补偿控制模块和PD控制模块，并根据闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，优化设计出ADRC补偿控制模块和PD控制模块的参数。本专利技术所采用的技术方案是：一种时滞对象的ADRC-PD补偿控制系统及方法，包括与滞后对象生产过程连接的现场仪表、集散控制系统DCS、以及时滞补偿控制服务器，所述的滞后对象的工业生产过程指工业中控制器输出存在滞后的过程；所述的DCS控制系统由数据接口、操作员站、工程师站、显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、DCS系统、时滞补偿控制服务器依次相连，其特征在于：所述的时滞补偿控制服务器包括：1.OPC客户端及数据接口模块，用于从DCS控制系统采集数据，并通过ADRC-PD控制器对数据进行处理，并将其传送到DCS系统中，实现滞后对象的工业过程生产指标的闭环控制；2.ADRC补偿模块，补偿模块是根据辨识模型及自抗扰控制器的扩张状态观测器对系统中的干扰和非线性部分(包括时滞部分)设计的一个补偿控制模块；3.PD控制模块，是根据闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，优化设计的比例-微分控制器模块。一种所述的时滞对象的ADRC-PD补偿控制方法包括以下步骤：1.利用OPC客户端及数据接口模块采集滞后工业过程数据，使用开环辨识方法，辨识出如下式所示的单变量时滞过程的SOPDT(SecondOrderPlusDeadTime)传递函数模型其中b,T1,T2,τ为模型参数。2.根据对象的传递函数模型和ADRC扩张状态观测器设计原理，设计时滞过程的ADRC补偿模块及PD控制模块。对于一个带滞后的广义二阶动态系统，其扩张状态方程为：其中X＝[x1,x2,x3]T为系统的扩张状态，u(t)为控制作用，τ为系统时滞，w(t)为外部扰动，f(x1(t),x2(t),w(t))为总和扰动，y(t)为系统输出。定义时滞广义二阶动态系统的扩张状态观测器为：其中β01,β02,β03为扩张状态观测器参数。从(3)中可以得出在频域内系统的加速度量z3(s)为：由(1)结合(4)可得z3(s)的近似估计为对滞后部分使用pade一阶近似：假定模型对滞后的辨识准确，则ADRC-PD控制器的形式如下u(s)＝G_PD(s)(r-y(s))Gm(s)(7)G_PD(s)＝kp+kds(8)其中Gm(s)是ADRC补偿模块，G_PD(s)是比例-微分控制器模块，β01,β02,β03,kp,kd是ADRC-PD控制器参数。由(7)可以看出，ADRC-PD控制器不再有状态观测器，而只包含一个简单的滞后系统补偿模块Gm(s)，易于实现，达到了控制系统简化的目的。3.对采用ADRC-PD控制器的闭环控制系统的灵敏度函数S和补灵敏度函数T的定义如下：以(12)所示的H∞混合灵敏度范数最小优化得到ADRC-PD控制器参数β01,β02,β03,kp,kd。其中WS表示灵敏度权函数，WT表示补灵敏度权函数，优化算法采用粒子群优化(PSO)优化算法(MARCIOSchwaab，EvaristoChalbaudBiscaia,JoseCarlosPinto.Nonlinearparameterestimationthroughparticleswarmoptimization.ChemicalEngineeringScience,2008,63:1542-1552)。本专利技术的技术构思：针对控制器的输出存在滞后的现象，根据ADRC的控制原理结合过程辨识模型，将扩张状态观测器对系统的补偿模块，简化成一个简单的ADRC-PD控制器，再以闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，通过PSO优化的方式，优化计算出ADRC-PD控制器的参数。本专利技术的效果主要表现在：针对滞后工业过程，设计了ADRC-PD补偿控制器，并利用闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标优化了ADRC-PD补偿控制器参数，提高了对滞后对象的跟踪控制性能和对外界扰动的鲁棒性能。附图说明图1是本专利技术所提出的时滞对象的ADRC-PID补偿控制系统结构图。1为大时滞工业装置，2为现场过程仪表，3为现场分析仪表，4为DCS通信网络，5为DCS系统，包含OPC服务器模块、操作站、工程师本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种针对时滞过程的ADRC‑PD补偿控制系统及方法，包括与时滞工业生产过程连接的现场仪表、集散控制系统DCS、以及时滞补偿控制服务器，所述的时滞工业生产过程指工业中控制器输出存在时滞的过程；所述的DCS控制系统由数据接口、操作员站、工程师站、显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、DCS系统、时滞补偿控制服务器依次相连，其特征在于：所述的时滞补偿控制服务器包括：(1)OPC客户端及数据接口模块，用于从DCS控制系统采集数据，并通过ADRC‑PD补偿控制器对数据进行处理，并将其传送到DCS系统中，实现时滞工业过程的闭环控制；(2)ADRC补偿模块，补偿模块是根据辨识模型及自抗扰控制器的扩张状态观测器对系统中的干扰和非线性部分(包括时滞部分)设计的一个补偿控制模块；(3)PD控制模块，是根据闭环混合灵敏度H
【技术特征摘要】
1.一种针对时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法，包括与时滞工业生产过程连接的现场仪表、集散控制系统DCS、以及时滞补偿控制服务器，所述的时滞工业生产过程指工业中控制器输出存在时滞的过程；所述的DCS控制系统由数据接口、操作员站、工程师站、显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、DCS系统、时滞补偿控制服务器依次相连，其特征在于：所述的时滞补偿控制服务器包括：(1)OPC客户端及数据接口模块，用于从DCS控制系统采集数据，并通过ADRC-PD补偿控制器对数据进行处理，并将其传送到DCS系统中，实现时滞工业过程的闭环控制；(2)ADRC补偿模块，补偿模块是根据辨识模型及自抗扰控制器的扩张状态观测器对系统中的干扰和非线性部分(包括时滞部分)设计的一个补偿控制模块；(3)PD控制模块，是根据闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，优化设计的比例-微分控制器模块。2.根据权利要求1所述的一种时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法，其特征在于：所述的大时滞过程的ADRC-PD补偿控制方法包括以下步骤：(1)根据大时滞工业生产过程，使用开环辨识方法，辨识出如式(1)所示的单变量时滞过程的SOPDT(SecondOrderPlusDeadTime)传递函数模型；其中b,T1,T2,τ为模型参数。(2)根据对象的传递函数模型和ADRC扩张状态观测器设计原理，设计时滞过程的补偿模块；(3)以闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，利用ParticleSwarmOptimization(PSO)优化方法，优化设计出ADRC补偿模块和PD控制器模块的参数；(4)利用OPC客户端及数据接口模块，从DCS中读取数据并将ADRC-PD控制器输出到DCS中实现时滞工业生产过程的闭环平稳控制。3.如权利2所述的滞后系统的补偿模块，其特征在于：对于一个带滞后的广义二阶动态系统，其扩张状态方程为：其中X＝[x1,x2,x3]T为系统的扩张状态，u(t)为控制作用，τ为系统时滞，w(t)为外部扰动，f(x1(t),x2(t),w(t))为总和扰动，y(t)为系统输出。定义时滞广义二阶动态系统的扩张状态观测器为：其中β01,β02,β03为扩张状态观测器参数。从(3)中可以得出在频域内系统的加速度量z3(s)为：由(1)结合(4)可得z3(s)的近似估计为
【专利技术属性】
技术研发人员：赵众，李普贤，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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