一种前馈补偿的预期动态PI及PID控制方法技术

一种前馈补偿的预期动态PI及PID控制方法，属于自动控制技术领域。该方法利用期望调节时间确定系统预期动态方程，并利用设定值及其补偿值当前步序值和上一步序值，计算设定值当前步序补偿值；将当前步序系统输出值与设定值补偿值、上一步序系统输出值与设定值补偿值进行偏差计算，并通过PI/PID算法，计算得到当前步序PI/PID控制器输出值；将当前步序设定值补偿值与PI/PID控制器当前步序输出值，计算得到当前步序控制量值，使得该系统根据控制量计算结果实时调节执行机构位置。本发明专利技术属于弱模型控制，无需被控对象精确数学描述，与传统二自由度PI/PID控制相比，能够精准跟踪系统预期动态，同时能够分离调试跟踪性能与抗扰性能，具有较好的控制品质。具有较好的控制品质。具有较好的控制品质。

【技术实现步骤摘要】
一种前馈补偿的预期动态PI及PID控制方法


[0001]本专利技术属于自动控制
，尤其涉及一种前馈补偿的预期动态PI及PID控制方法。

技术介绍

[0002]目前诸如化工过程、热工过程等大型工业生产过程控制其中仍以比例-积分(Proportional-Integral,PI)控制与比例-积分-微分(Proportional
–
Integral
–
Derivative,PID)控制为主要的控制策略，这是因为PI与PID简单易实现，并且参数整定方法众多。然而随着工业过程中的控制要求日益提高，传统的PI或PID控制器很难获得令人满意的控制效果，其主要原因是传统的PI或PID无法分离调试系统的跟踪性能与抗扰性能。二自由度(Two-Degree-of-Freedom,TDOF)PI或PID控制的提出改善了传统PI或PID的缺点，但其仅实现了跟踪性能可单独调试而抗扰性能无法单独调试。
[0003]1955年一种新型的二自由度控制结构——条件反馈(Conditional Feedback,CF)控制系统提出，其优势在于系统跟踪性能调试与抗扰性能调试完全解耦，从理论上解决了常规PI或PID与二自由度PI或PID控制的共性问题。然而，条件反馈控制系统的跟踪控制器的设计需要基于被控对象的精确数学模型。对于大部分工业系统而言，其过程的精确数学描述难以获得，因此条件反馈控制无法广泛应用于大型工业控制系统的设计中。另外，条件反馈控制结构较为复杂，难以在分散控制系统(Distributed Control System,DCS)上实现。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决常规PI及PID控制与常规二自由度PI及PID控制跟踪性能与抗扰性能调试耦合以及条件反馈控制设计基于被控对象精确数学模型等不足之处，提出一种前馈补偿的预期动态PI及PID控制方法，旨在通过整定控制器参数使得系统跟踪性能与抗扰性能分离调试，为进一步推广二自由度PI及PID在工业过程控制的现场应用提供良好的支持。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种前馈补偿的预期动态PI控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]1)利用期望调节时间t
sd
,确定系统的预期动态方程；对于前馈补偿的预期动态PI控制，其预期动态方程用一阶惯性环节或一阶惯性纯延迟环节描述，其数学表达式如下：
[0008]或
[0009]其中Y(s)为系统输出，R(s)为设定值，s表示微分算子，e-τs
表示预期动态迟延环节，τ表示预期动态方程的延迟时间，一般与被控对象的延迟时间一致，T表示预期动态方程的惯性时间常数且T＝t
sd
/3或T＝(t
sd-τ)/3；
[0010]2)利用设定值当前步序值r(k)、设定值上一步序值r(k-1)、设定值补偿值上一步
序值r
′
(k-1)，计算当前步序设定值补偿值r
′
(k)；
[0011]具体数学形式如下：
[0012][0013]其中，k表示计算步序，h代表采样间隔时间，T
a
、T
b
为前馈补偿环节可调时间系数，其取值为T
a
>0且T
b
＝T；
[0014]3)将当前步序系统输出值y(k)与当前步序设定值补偿值r
′
(k)、所有步序的系统输出值之和与所有步序设定值补偿值之和进行偏差计算，并通过PI算法计算得到当前步序PI控制器输出值u
PI
(k)；其中r
′
(n)为某一步序的设定值补偿值，y(n)为某一步序的系统输出值；n为某一步序，且取值为0，1，
…
，k；
[0015]具体算法公式如下：
[0016][0017]算法中k
p
、k
i
为PI控制器参数，且k
p
＝(K+h0)/l、k
i
＝Kh0/l；其中K、l为可调参数，h0为中间参数，且h0＝1/T
a
；
[0018]4)利用下述公式，得到当前步序的控制量值u(k)：
[0019][0020]其中b为前馈系数，且b＝K/l；
[0021]5)将被控对象的输入值更新为u(k)，调整执行机构输出至u(k)值的大小，使得系统输出值跟踪其设定值。
[0022]一种前馈补偿的预期动态PID控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0023]1)利用期望调节时间t
sd
,确定系统的预期动态方程；对于前馈补偿的预期动态PID控制，其预期动态方程用二阶惯性环节或二阶惯性纯延迟环节描述，其数学表达式如下：
[0024]或
[0025]其中Y(s)为系统输出，R(s)为设定值，s表示微分算子，e-τs
表示预期动态迟延环节，τ表示预期动态方程的延迟时间，一般与被控对象的延迟时间一致，T1、T2表示预期动态方程的惯性时间常数且假定T1>T2；设置预期动态方程惯性时间常数与期望调节时间存在以下数学关系即可：
[0026]或
[0027]2)利用设定值当前步序值r(k)、设定值上一步序值r(k-1)、设定值补偿值上一步序值r
′
(k-1)，计算当前步序设定值补偿值r
′
(k)；
[0028]具体数学形式如下：
[0029][0030]其中，k表示计算步序，h代表采样间隔时间，T
a
、T
b
为前馈补偿环节可调时间系数，其取值为T
a
＝T1且T
b
＝T2；
[0031]3)将当前步序系统输出值y(k)与当前步序设定值补偿值r
′
(k)、所有步序的系统输出值之和与所有步序设定值补偿值之和上一步序的系统输出值y(k-1)与设定值补偿值r
′
(k-1)进行偏差计算，并通过PID算法计算得到当前步序PID控制器输出值u
PID
(k)；其中r
′
(n)为某一步序的设定值补偿值，y(n)为某一步序的系统输出值；n为某一步序，且取值为0，1，
…
，k；
[0032]具体算法公式如下：
[0033][0034]算法中k
p
、k
i
、k
d
为PID控制器参数，且k
p
＝(h1+Kh0)/l、k
i
＝Kh0/l、k
p
＝(h1+K)/l；其中K、l为可调参数，h0与h1为中间参数，且h1＝2/T1、h0＝h
12
/4；
[0035]4)利用下述公式，得到当前步序的控制量值u(k)：
[0036]u(k)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种前馈补偿的预期动态PI控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)利用期望调节时间t
sd
，确定系统的预期动态方程；对于前馈补偿的预期动态PI控制，其预期动态方程用一阶惯性环节或一阶惯性纯延迟环节描述，其数学表达式如下：或其中Y(s)为系统输出；R(s)为设定值；s表示微分算子；e-τs
表示预期动态迟延环节；τ表示预期动态方程的延迟时间，一般与被控对象的延迟时间一致；T表示预期动态方程的惯性时间常数，且T＝t
sd
/3或T＝(t
sd-τ)/3；2)利用设定值当前步序值r(k)、设定值上一步序值r(k-1)、设定值补偿值上一步序值r
′
(k-1)，计算当前步序设定值补偿值r
′
(k)；具体数学形式如下：其中，k表示计算步序；h代表采样间隔时间；T
a
、T
b
为前馈补偿环节可调时间系数，其取值为T
a
>0且T
b
＝T；3)将当前步序系统输出值y(k)与当前步序设定值补偿值r
′
(k)、所有步序的系统输出值之和与所有步序设定值补偿值之和进行偏差计算，并通过PI算法计算得到当前步序PI控制器输出值u
PI
(k)；其中r
′
(n)为某一步序的设定值补偿值；y(n)为某一步序的系统输出值；n为某一步序，且取值为0，1，
…
，k；具体算法公式如下：公式中k
p
、k
i
为PI控制器参数，且k
p
＝(K+h0)/l、k
i
＝Kh0/l；其中K、l为可调参数，h0为中间参数，且h0＝1/T
a
；4)利用下述公式，得到当前步序的控制量值u(k)：u(k)＝u
PI
(k)-br
′
(k)其中b为前馈系数，且b＝K/l；5)将被控对象的输入值更新为u(k)，调整执行机构输出至u(k)值的大小，使得系统输出值跟踪其设定值。2.一种前馈补偿的预期动态PID控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)利用期望调节时间t
sd
，确...

【专利技术属性】
技术研发人员：史耕金，汪朝晖，李东海，丁艳军，朱民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：