一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法技术

本发明专利技术一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法，包括以下步骤：S1：以进入气波机气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响为被控对象，将排出换热器气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响作为扰动对象，采集气波制冷过程测试数据；S2：利用采集的测试数据，基于最小二乘法辨识得到气波制冷过程高阶被控对象模型和高阶扰动模型；S3：采用次最优降阶算法，将高阶模型降阶为气波制冷过程带有时滞的二阶被控对象模型和一阶扰动模型；S4：设计气波制冷过程扰动补偿Smith预估控制方法；S5：通过鲸鱼优化算法实现扰动补偿Smith预估控制方法中设定值跟踪控制器和滤波器参数的优化整定，实现设定值的跟踪，该方法对气波制冷效率的提高有重要的意义。波制冷效率的提高有重要的意义。波制冷效率的提高有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法


[0001]本专利技术涉及气波制冷过程控制工程领域，具体涉及一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法。

技术介绍

[0002]气波制冷过程是一种采用气体膨胀制冷原理，通过向振荡管内射入高压气体产生激波和膨胀波的运动实现冷热流体分离的目的。使用气波制冷过程进行气体制冷，既能充分利用气体本身的压力能，又能达到良好且可控的制冷效果。与透平膨胀机制冷相比，气波制冷过程还具有结构简单、运转转速低、带液能力强等优点，因此被广泛应用于石油化工和航空航天等重要领域。
[0003]气波制冷过程转速、压力、温度、膨胀比等操作参数的变化对制冷效率有重要影响，因此，如何及时、可靠地控制大流量气波制冷装置，提高气波制冷装置制冷效率是急需解决的问题。气波制冷过程的控制通常采用传统的PID控制方案，然而由于气波制冷过程存在可测扰动和较大的滞后特性，简单的PID控制难以取得满意的控制效果。因此，设计新的控制方法来兼顾系统的设定值跟踪特性和干扰抑制特性是有必要的。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供本专利技术采用的技术方案是：一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法，包括以下步骤：
[0005]S1：以进入气波机气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响为被控对象，将排出换热器气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响作为扰动对象，采集气波制冷过程测试数据；
[0006]S2：利用采集的测试数据，基于最小二乘法辨识得到气波制冷过程高阶被控对象模型和高阶扰动模型；
[0007]S3：采用次最优降阶算法，将高阶模型降阶为气波制冷过程带有时滞的二阶被控对象模型和一阶扰动模型；
[0008]S4：设计气波制冷过程扰动补偿Smith预估控制方法；
[0009]S5：通过鲸鱼优化算法实现扰动补偿Smith预估控制方法中设定值跟踪控制器和滤波器参数的优化整定，实现设定值的跟踪。
[0010]进一步地：所述设计气波制冷过程扰动补偿Smith预估控制方法的过程如下：
[0011]设气波制冷过程输出y与设定值输入r的闭环传递函数为：
[0012][0013]设气波制冷过程输出y与扰动输入d的闭环传递函数为：
[0014][0015]其中，表示被控对象，表示被控对象模型，G
p0
(s)、G
m0
(s)为不包含时滞的部分，G
d
(s)表示扰动对象，F(s)为设定值滤波器，G
c
(s)为设定值跟踪控制器，G
f
(s)为扰动补偿控制器；
[0016]在被控对象模型精确的情况下，即G
m0
＝G
p0
，τ
m
＝τ
p
时，气波制冷过程输出与设定值输入、干扰输入的传递函数分别为：
[0017][0018][0019]若扰动信号d对输出y的影响为零，则应使G
yd
(s)＝0，即G
d
+G
f
G
p
＝0，故气波制冷过程设定值跟踪控制只与滤波器F(s)和设定值跟踪控制器G
c
(s)有关，干扰抑制控制只与扰动补偿控制器G
f
(s)有关，该扰动补偿Smith预估控制方法设计使设定值跟踪控制与干扰抑制控制实现完全解耦，使气波制冷过程同时具有良好的设定值跟踪特性和干扰抑制特性。
[0020]进一步地：所述采用次最优降阶算法，将高阶模型降阶为气波制冷过程带有时滞的二阶被控对象模型和一阶扰动模型的过程如下：
[0021]假设原始模型为：
[0022][0023]降阶后的模型为：
[0024][0025]在相同的输入信号r(t)下，原始模型和降阶后的模型之间误差信号的拉氏变换为：
[0026]E(s)＝[G(s)e
‑
Ts
‑
G
r
(s)e
‑
Trs
]R(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]其中，R(s)是输入r(t)的拉氏变换，引入信号h(t)＝ω(t)e(t)，则可定义ISE指标如下：
[0028][0029]其中ω(t)是一个权重函数，对延迟系统采用近似的最优化来求解；
[0030]定义待定参数向量ξ＝[α1,α2,
…
,α
k
,β1,β2,
…
,β
r+1
,T
r
]，则对一类给定输入信号可以定义出降阶模型的误差信号其中误差信号被显式地写成ξ的函数，
[0031]定义出次最优降阶的目标函数为：
[0032][0033]通过最小化目标函数，得到气波制冷过程出口温度二阶被控对象模型为：
[0034][0035]其中，T1、T2、T3为气波制冷过程时间常数，K为制冷过程增益，τ
p
为控制延迟时间；
[0036]得到一阶扰动对象模型为：
[0037][0038]其中，T4为扰动过程时间常数，K1为扰动增益，τ
d
为扰动控制延迟时间。
[0039]进一步地：所述扰动补偿Smith预估控制方法中气波制冷过程的设定值跟踪控制器和扰动补偿控制器的设计相互独立，具体推导过程如下：
[0040]假设设定值跟踪控制器G
c
(s)的表达式为：
[0041][0042]从而可得：
[0043][0044]假设期望的设定值跟踪特性为：
[0045][0046]其中，λ为时间常数，由对应项系数相等可得：
[0047][0048]解得：
[0049][0050]由上述可知，滤波器F(s)和控制器G
c
(s)的设计只与参数λ的取值有关，简化了控制器的设计；
[0051]根据扰动补偿原理，为使扰动对气波制冷过程输出的影响为零，扰动补偿控制器G
f
(s)应满足：
[0052]G
d
+G
f
G
p
＝0 (17)
[0053][0054][0055]进一步地：所述通过鲸鱼优化算法实现扰动补偿Smith预估控制方法中设定值跟踪控制器和滤波器参数的优化整定，具体如下：
[0056]鲸鱼优化算法设置种群中个体数为N，最大迭代次数为M，从一组随机解开始，在每次迭代中，选择随机搜索代理或至今为止最优的搜索代理来引导搜索，根据[0,1]之间的随机数p的值，鲸鱼优化算法在螺旋和缩小环绕更新位置之间切换，在迭代过程中，从2开始线性减小到0，取值在[
‑
a,a]之间的系数向量的变化范围随之减小，当时，选择随机搜索代理引导搜索，时，选择当前为止最优解引导搜索，目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：以进入气波机气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响为被控对象，将排出换热器气体流量的阀门开度对制冷气体温度的影响作为扰动对象，采集气波制冷过程测试数据；S2：利用采集的测试数据，基于最小二乘法辨识得到气波制冷过程高阶被控对象模型和高阶扰动模型；S3：采用次最优降阶算法，将高阶模型降阶为气波制冷过程带有时滞的二阶被控对象模型和一阶扰动模型；S4：设计气波制冷过程扰动补偿Smith预估控制方法；S5：通过鲸鱼优化算法实现扰动补偿Smith预估控制方法中设定值跟踪控制器和滤波器参数的优化整定，实现设定值的跟踪。2.根据权利要求1所述的一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法，其特征在于：所述设计气波制冷过程扰动补偿Smith预估控制方法的过程如下：设气波制冷过程输出y与设定值输入r的闭环传递函数为：设气波制冷过程输出y与扰动输入d的闭环传递函数为：其中，表示被控对象，表示被控对象模型，G
p0
(s)、G
m0
(s)为不包含时滞的部分，G
d
(s)表示扰动对象，F(s)为设定值滤波器，G
c
(s)为设定值跟踪控制器，G
f
(s)为扰动补偿控制器；在被控对象模型精确的情况下，即G
m0
＝G
p0
，τ
m
＝τ
p
时，气波制冷过程输出与设定值输入、干扰输入的传递函数分别为：入、干扰输入的传递函数分别为：若扰动信号d对输出y的影响为零，则应使G
yd
(s)＝0，即G
d
+G
f
G
p
＝0，故气波制冷过程设定值跟踪控制只与滤波器F(s)和设定值跟踪控制器G
c
(s)有关，干扰抑制控制只与扰动补偿控制器G
f
(s)有关，该扰动补偿Smith预估控制方法设计使设定值跟踪控制与干扰抑制控制实现完全解耦，使气波制冷过程同时具有良好的设定值跟踪特性和干扰抑制特性。3.根据权利要求1所述的一种气波制冷过程鲸鱼优化扰动补偿Smith预估控制方法，其特征在于：所述采用次最优降阶算法，将高阶模型降阶为气波制冷过程带有时滞的二阶被控对象模型和一阶扰动模型的过程如下：假设原始模型为：
降阶后的模型为：在相同的输入信号r(t)下，原始模型和降阶后的模型之间误差信号的拉氏变换为：其中，R(s)是输入r(t)的拉氏变换，引入信号h(t)＝ω(t)e(t)，则可定义ISE指标如下：其中ω(t)是一个权重函数，对延迟系统采用近似的最优化来求解；定义待定参数向量ξ＝[α1,α2,
…
,α
k
,β1,β2,

【专利技术属性】
技术研发人员：李琦，杨梦晗，王凡，胡小鹏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：