增益预估自适应纯滞后补偿控制器及其调节方法技术

一种增益预估自适应纯滞后补偿控制器，由前馈控制器、增益可调控制器、对象参数Ｋ↓［０］、Ｔ↓［０］变化检测器，对象模型、理想系统模型和相应的运算器所组成，通过反映对象增益变化趋势的自适应信号ｋ↓［１］对等效控制器增益和对象模型增益的预估调整，理想系统增益和当前实际系统增益比值ｋ↓［２］对增益可调控制器增益的调整，再通过预估反馈信号的附加自适应调整而消除各种动静态偏差，使系统不受对象参数时变的影响。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

Gain estimation adaptive self delay compensating controller and regulating method thereof

A gain predictive adaptive delay compensation controller, the feedforward controller, adjustable gain controller, the parameters of the object K: 0, T: 0 change detector composed of object model, ideal system model and the corresponding operation is reflected by object gain variation trend of adaptive signal: 1 K to estimate the equivalent controller gain and gain the ideal object model, the system gain and current actual gain ratio of K: 2 of the gain adjustable controller gain adjustment, by adjusting the additional adaptive predictive feedback signal and eliminate all kinds of static and dynamic effects of bias, so that the system will be time-varying parameters of the object.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有前馈和反馈相结合的增益预估自适应纯滞后补偿控制器，特别是对过程对象参数时变的过程对象的自动控制装置。本专利技术是对Smith，O.J.H“A Controller to Overcome Dead Time”(ISA，J.No2，PP28～33，1958)和Giles，R.F“Gain·Adaptive Dead Time Compensation”(ISA，Trans.No1，1977)和方利国、吴嘉麟“改进型增益自适应控制的研究”(《化工自动化及仪表》No3，P25～27，1990，7)所公布的控制器的改进。本专利技术采用了《自动调节系统工程设计》(王永初编，1983年8月出版)所阐述的原理。随着控制技术的发展，对于过程对象参数不变的系统，通过整定常规调节器使系统处于最佳状态，得到良好的调节品质。但对于过程对象参数是非线性的、随工作点变化、扰动作用时变的或者纯滞后时间常数较大(τ0/T0＞1.5)的系统，常规调节器不能适应对象参数的变化，系统轻则失稳，重则振荡。钢铁工业中的废水pH值控制的过程对象参数就是时变的即静态增益呈非线性，且具有可变性，可随不同种类的酸、不同的碱液浓度、废水中的二价铁含量的多少等因素而发生变化;控制对象的一阶惯性时间常数T0也随废水中的酸的种类、废水水量、碱液浓度、废水中二价铁含量变化而变化，其范围一般为6～15分钟;控制对象的纯滞后时间τ0也是受下列因素的影响碱液传递的滞后，水流动速度快慢传递的滞后，两个纯滞后迭加使τ0在13～18分钟范围内变化;扰动频繁、幅度大，可测而不可控，各生产厂排放的废水量经常变化，废水的pH值也在5～7范围内频繁变化，碱浓度也经常在20～40%范围内变化。面对这种复杂的控制对象，采用常规的调节器不能解决问题。采用史密斯(Smith)补偿可以解决纯滞后较大的控制对象(τ0/T0＞1.5)。史密斯补偿的原理图如附图3所示，其定值的闭环传递函数为GB=GC(S)·G0(S)1+GC(S)G0(S)·eτ0s---(1)]]>(1)式说明纯滞后被从特征方程中消出，因此消除了纯滞后因子对系统稳定性的影响。这种方法要求非常准确地测得对象的参数，以便建立精确的数学模型。因此不适用于难以测得控制对象的参数或者对象参数时变的控制对象。后来出现了Giles的“增益自适应死时补偿控制器”和方利国、吴嘉麟的“改进型增益自适应控制器”，其原理图见附图4和《化工自动化及仪表》No3，P25～27 1990，7。这两种方法的共同缺点是第一，必须等到对象增益变化引起对象输出变化形成偏差后才进行控制器增益的调整，这种调整办法对于克服扰动对对象参数时变引起的偏差往往不够及时。第二是系统的抗干扰能力差，无法消除稳态误差。从原理图中可以看到Y和Ym之比作为自适应信号，在扰动频繁、扰动幅度大时，对象参数在变，对象输出Y在变化，因反馈信号变化，控制器在调节、控制器输出也在变，因此使对象模型输出Ym也在变，但是对象参数变化使分子Y和分母Ym的变化规律不等，因此Y和Ym的比值也随之变化，反过来这个比值又去调整控制器增益，这样整个系统仿佛成了一个有能量输入的跷跷板，轻者使系统输出超调量增大，振荡次数增加，调节时间增加不易稳定，重者甚至振荡。在钢铁厂污水pH值控制中所出现的情况充分证实了这一结论，运行曲线见附附图说明图13。本专利技术的目的是提供一种采用增益预估自适应纯滞后补偿控制器，利用微分对象输出和微分对象模型输出之比来检测对象参数K0、T0(静、动态增益)变化的趋势，进行超前调节，来提高上述控制系统的质量、消除振荡，提高系统的稳定性、鲁棒性。本专利技术的另一个目的是采用由等效控制器、对象参数K0、T0(静、动态增益)变化检测器、对象模型、理想系统模型所组成的控制器，实现了动态预估增益自适应、理想增益自适应、预估反馈信号的附加自适应。利用对象输出和理想模型输出之比求出的增益自适应信号去调整等效控制器增益来消除扰动和对象参数时变引起的动静误差。补偿了纯滞后的影响，实现了系统特性不受对象参数时变的影响。本专利技术的再一个目的是将本控制器用于控制钢铁厂废水处理的加碱量，保证水质在pH＝7±0.3范围内，降低废水中的铁，从而提高回收水的水质，提高钢材质量，节约能源。本专利技术还有一个目的是实现对加碱量控制，在保持水质的同时减少加碱量，节省开支，使资源得到合理利用。本专利技术的上述和其它目的是按照下述专利技术思想来实现的。按照本专利技术的控制器，由前馈控制器和增益预估自适应纯滞后补偿控制器所组成。而增益预估自适应纯滞后补偿控制器由等效控制环节，对象模型、理想系统模型所组成。通过动态预估自适应对象参数K0、T0(静、动态增益)变化检测器，理想增益自适应、预估反馈信号的附加自适应，补偿了纯滞后的影响，保证系统特性不受对象参数时变的影响，提高系统的稳定性和鲁棒性。下面结合附图对本专利技术作详细说明。图1是本专利技术的控制器结构图。图2是和图1相对应的原理图。图3是史密斯补偿器原理图。图4是增益自适应补偿控制器原理图。图5和图6是在不同条件下，控制器的输出随时间变化曲线。图7是模型参考自适应控制系统原理图。图8是前馈控制系统原理图。图9是废水pH值监控工艺结构图。图10是废水pH值和加碱量Q的关系曲线。图11是pH值变化量△pH和加碱变化量△Q的关系。图12是采用图4所示控制器控制的出水pH值曲线。图13是采用图1所示本专利技术控制器的出口pH值输出曲线。如前所述，采用图3和图4所示的史密斯补偿控制器和增益自适应补偿控制器不能满足控制对象参数时变的过程的要求。如图1、图2所示，本专利技术的增益预估自适应纯滞后补偿控制器由前馈控制器(2)和等效控制器、对象预估模型、理想系统模型以及相关的环节所组成，等效控制器即增益可调控制器由依次串接的等效PI控制器(4)、除法器(5)、除法器(6)组成，对象预估模型由依次串接的比例乘法器(13)、乘法器(14)、一阶滞后运算器(15)、纯滞后运算器(16)所组成，理想系统模型由顺次串接的比例乘法器(24)、积分器(25)、加法器(26)、比例乘法器(27)、一阶滞后运算器(28)、纯滞后运算器(29)所组成。如图1、图2所示，设定值信号SV与加法器(3)的正输入端及比例乘法器(24)的输入端相接，乘法器(21)的输出端与加法器(3)的负输入端相接，将预估反馈信号Yx施于加法器(3)，对象模型的输入端通过加法器(12)与相互串接的等效控制器输出端相接，加法器(3)的输出端与等效控制器的第一个环节等效PI控制器(4)的输入端相接，在其中实现PI运算，等效PI控制器(4)输出端与除法器(5)的被除数输入端相接，除法器(5)的除数输入端与识别器(22)的一个输出端相接，除法器(5)的输出端和除法器(6)的被除数输入端相接，除法器(6)的除数输入端与除法器(20)(动态增益预估信号k1)的输出端相接，除法器(6)的输出端一方面和加法器(7)的正输入端相接，另一方面和加法器(12)的另一个正输入端相接，前馈控制器(2)的输出端和加法器(7)的另一个正输入端相接，加法器(7)的输出端与对象过程(8)的输入端相接，过程(8)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由加法器（１）、前馈控制器（２）、增益自适应补偿控制器所组成的增益预估自适应纯滞后补偿控制器，其特征在于该控制器由等效控制器、对象预估模型、理想系统模型以及相应的运算器所组成，１）等效控制器由依次串接的等效ＰＩ控制器（４）、除法器（ ５）、除法器（６）所组成，２）对象预估模型由依次串接的比例乘法器（１３）、乘法器（１４）、一阶滞后运算器（１５）、纯滞后运算器（１６）所组成，３）理想系统模型由顺次串接的比例乘法器（２４）、积分器（２５）、加法器（２６）、比例乘法器 （２７）、一阶滞后运算器（２８）、纯滞后运算器（２９）所组成，比例乘法器（２４）的输出端同时和积分器（２５），加法器（２６）相接，４）设定值信号ＳＶ与加法器（３）的正输入端及比例乘法器（２４）的输入端相接，乘法器（２１）的输出端与加法器 （３）的负输入端相接，加法器（３）的输出端与等效控制器的第一个环节等效ＰＩ控制器（４）相接，５）等效ＰＩ控制器（４）的输出端与除法器（５）的被除数输入端相接，除法器（５）的除数输入端与识别器（２２）的一个输出端相接，除法器（５）的输出端 与除法器（６）的被除数输入端相接，除法器（６）的除数输入端与除法器（２０）（动态增益预估信号Ｋ↓［１］）的输出端相接，６）除法器（６）的输出端一方面和加法器（７）的一个正输入端相接，另一方面和加法器（１２）的另一个正输入端相接，前馈控制 器（２）的输出端和加法器（７）的另一个正输入端相接，加法器（７）的输出端与对象过程（８）的输入端相接，７）除法器（６）的输出端又和加法器（１２）的一个正输入端相接，固定偏置Ｍ接到加法器（１２）的另一个正输入端，加法器（１２）的输出端和对 象预估模型的第一个环节比例乘法器（１３）的输入端相接，８）比例乘法器（１３）的输出端和对象模型的第二个环节乘法器（１４）的一个输入端相连接，乘法器（１４）的另一个输入端与除法器（２０）的输出端相接，乘法器（１４）的输出端与一阶滞后运算器 （１５）的输入端相接，此一阶滞后运算器（１５）的输出端同时和纯滞后运算器（１６）、纯滞后运算器（１７）相接，纯滞后运算器（１６）的输出端和加法器（１８）的一个正输入端相接，纯滞后运算器（１７）的输出端和加法器（１８）的负输入端相接，加法器（１８）的另一个正输入端输入常数Ｂ＝０. １，９）加法器（１８）的输出端和绝对值运算器（１９）的输入端相接，绝对值运算器（１９）的...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王连铮，张宝山，刘广顺，安殿库，顾恩荣，陈殿富，
申请(专利权)人：鞍山钢铁公司，鞍山钢铁公司给水厂，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]