具有时滞特性的水箱液位系统非线性补偿容错控制方法技术方案

具有时滞特性的水箱液位系统非线性补偿容错控制方法，属于工业过程的先进控制领域，包括以下步骤：步骤一：将水箱液位控制系统建立为具有不确定性、时变时滞、部分执行器故障和高阶非线性部分的状态空间模型；步骤二：设计时滞系统的鲁棒容错控制器；步骤三：设计前一时刻未建模动态补偿容错控制器；步骤四：设计未建模动态增量补偿容错控制器。该方法为存在时变时滞、参数不确定性、部分执行器故障和强非线性的水箱液位控制提出了全新的方案，融合数据驱动、信号补偿和一步最优原理尽可能消除系统跟踪误差，使输出更好的跟踪设定值。使输出更好的跟踪设定值。

【技术实现步骤摘要】
具有时滞特性的水箱液位系统非线性补偿容错控制方法


[0001]本专利技术属于工业过程的先进控制领域，涉及一种具有时滞特性的水箱液位系统非线性补偿容错控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着工业化的不断推进，现代社会对工业生产过程的要求也越来越高。作为实际工业生产过程中的一大领域，液位控制系统广泛存在于流程工业当中。此类系统通常具有的不确定性、时变时滞、部分执行器故障和强非线性等特性，这使得如何对此类复杂工业过程进行有效控制成为现代控制领域面临的难题。
[0003]本专利针对具有时滞特性的水箱液位控制系统进行研究。一方面，精确的液位控制系统模型难以建立，随着控制过程中外部条件的变化控制系统也会随之发生变化，因此液位控制系统具有一定的不确定性和滞后特性，如果处理不当极有可能导致系统控制性能的恶化。另一方面，水箱液位控制系统往往存在非线性特性，对于这样复杂的系统建模时通常会进行简化，因此势必会有环节未被建模，这些未建模环节的动态特性可能对系统产生很大的影响，在本专利建立的控制模型中称之为未建模动态。在处理这些未建模动态时，如果只是简单的将其忽略掉，在较理想的情况下进行控制器的设计，其实际的控制往往达不到预期的效果。此外，执行器是控制系统中最容易发生故障的部分，为了保证液位控制系统安全稳定的运行，设计一种针对此类问题的先进控制方法已成为实际工业过程控制的必然要求。
[0004]目前，工业液位控制系统的主流控制方法为PID控制。然而，随着工业过程控制对象的日趋复杂化和人们对控制指标要求越来越高，对于具有不确定性、时变时滞、部分执行器故障和强非线性的过程控制对象，传统的PID控制已经很难达到理想的控制效果。因此，展开对具有此类工业特性实验装置的研究，并将先进控制算法融入其中，对工业过程控制系统的研究具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利提出一种具有时滞特性的液位系统的非线性补偿容错控制方法，这种方法针对水箱液位控制系统存在的不确定性、时变时滞、部分执行器故障和强非线性采用时滞系统的鲁棒预测容错控制和非线性补偿控制相结合的方法，更好的将水箱液位控制在目标范围内。
[0006]要使控制器更好的运用于实际系统，就需要在控制器设计时，对系统的不确定性、时变时滞、部分执行器故障和强非线性进行考虑和处理，这给控制器的设计带来不小的挑战，本方法针对此问题展开研究。首先，建立水箱液位系统的状态空间模型，即被控对象仿真模型。在此基础上进行控制器的设计：基于状态空间模型的线性部分，设计时滞系统的鲁棒预测容错控制器，在设计初期就将系统的不确定性、时变时滞和部分执行器故障考虑进去，这使得整个液位控制系统在面对各种实际影响因素时仍能表现出应有的控制性能。然
后，基于信号补偿方法针对前一时刻未建模动态的数据信息，设计消除其对闭环系统影响的前一时刻未建模动态补偿容错控制器。最后，设计未建模动态增量补偿容错控制器以消除未建模动态增量对系统性能的影响。
[0007]该方法是通过以下技术方案实现的：
[0008]步骤一：将水箱液位控制系统建立为具有不确定性、时变时滞、部分执行器故障和高阶非线性部分的状态空间模型；
[0009][0010]式中，x(k+1)表示在离散k+1时刻的系统状态，x(k)为离散k时刻的系统状态，u(k)为离散k时刻的系统输入，y(k)表示在离散k时刻的系统输出，v(k)表示在离散k时刻离散化后的模型与原非线性模型间的高阶非线性部分，d(k)表示在离散k时刻的时滞步长，x(k
‑
d(k))表示在考虑离散k时刻时滞步长的情况下的系统状态。A(k)＝A+Δ
a
(k)为离散k时刻系统的状态矩阵，A,B为需要辨识的模型参数，A
d
为时滞矩阵，C为输出矩阵，Δ
a
(k)＝NΔ(k)H为离散k时刻的不确定摄动，N,H为相应维数的常数矩阵，Δ(k)为依赖于离散时刻k的不确定摄动，α表示执行器故障系数，满足α≤1为故障系数下界，为故障系数上界。
[0011]为了简化设计，定义故障系数满足α＝(I+α0)β，α0是故障系数因子，且满足|α0|≤β0≤I的随机数，β0为故障系数上下界和与差的比值，β为故障系数上下界的中值，I为适当维数的单位矩阵。
[0012]根据Δx(k+1)＝x(k+1)
‑
x(k)，设计增量式状态空间模型如下：
[0013][0014]式中，Δx(k+1)为系统在离散k+1时刻的状态增量，Δx(k)＝x(k)
‑
x(k
‑
1)为系统在离散k时刻的状态增量，x(k
‑
1)为离散k
‑
1时刻的系统状态，Δu(k)＝u(k)
‑
u(k
‑
1)为系统在离散k时刻的控制输入增量，u(k
‑
1)为离散k
‑
1时刻的控制输入，Δy(k)＝y(k)
‑
y(k
‑
1)为系统在离散k时刻的系统输出增量，y(k
‑
1)为离散k
‑
1时刻的系统输出。系统在离散k时刻的集总动态非线性项为：其中Δ
a
(k
‑
1)为离散k
‑
1时刻状态矩阵的不确定摄动。
[0015]将未建模部分进行拆分并分别对其设计补偿控制器。其中，为系统在离散k
‑
1时刻的离散化后的模型与原非线性模型间的未建模动态，为系统在离散k时刻的未建模动态增量。
[0016]步骤二：设计时滞系统的鲁棒容错控制器；
[0017]时滞系统的鲁棒容错控制器的控制律可表示为：
[0018]Δu1(k)＝K1(k)Δx(k)
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(3)
[0019]式中，K1(k)为离散k时刻Δu1(k)的控制律增益。
[0020]引入如下性能指标：
[0021][0022]式中，Δx(k+i|k)表示在k时刻基于增量式模型的k+i时刻的状态预测值，Δu(k+i|k)表示在k时刻使性能指标成立的输入序列在k+i时刻的预测值，Q和R为控制器加权矩阵。
[0023]根据李雅普诺夫定理和舒尔补引理，如果存在已知标量θ＞0,0≤d
m
≤d
M
，未知对称正矩阵未知矩阵和未知标量ε1,ε2＞0，使得如下LMI条件成立，可得被控系统是渐近稳定的。
[0024][0025]式中，φ1＝
‑
L1+M3+D1S2+S2‑
X2，D1＝(d
M
‑
d
m
+1)I，D2＝(d
M
)2I，*表示矩阵对称位置元素的转置，LMI中元素如下所示：
[0026][0027][0028][0029]在满足上述LMI条件的情况下，可解得时滞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有时滞特性的水箱液位系统非线性补偿容错控制方法，其特征在于:首先，设计时滞系统的鲁棒容错控制器，引入如下性能指标：式中，Δx(k+i|k)表示在k时刻基于增量式模型的k+i时刻的状态预测值，Δu(k+i|k)表示在k时刻使性能指标成立的输入序列在k+i时刻的预测值，Q和R为控制器加权矩阵，N为系统不确定性的统一矩阵，H为系统不确定性的状态矩阵，Δ(k)≤I为依赖于离散时刻k的不确定摄动；根据李雅普诺夫定理和舒尔补引理，如果存在已知标量θ＞0,0≤d
m
≤d
M
，未知对称正矩阵未知矩阵和未知标量ε1,ε2＞0，使得如下LMI条件成立，可得被控系统是渐近稳定的；式中，φ1＝
‑
L1+M3+D1S2+S2‑
X2，D1＝(d
M
‑
d
m
+1)I，D2＝(d
M
)2I，*表示矩阵对称位置元素的转置，LMI中元素如下所示：LMI中元素如下所示：LMI中元素如下所示：LMI中元素如下所示：A和B为需要辨识的模型参数；为了简化设计，定义故障系数满足α＝(I+α0)β，α0是故障系数因子，且满足|α0|≤β0≤I的随机数，β0为故障系数上下界和与差的比值，β为故障系数上下界的中值，I为适当维数的单位矩阵；时滞系统的鲁棒容错控制器Δu1(k)＝K1(k)Δx(k)，Δx(k)为系统在离散k时刻的状态增量；在满足上述LMI条件的情况下，可解得时滞系统的鲁棒容错控制器的控制律增益K1(k)＝Y1L1‑1；其次，设计前一时刻未建模动态补偿容错控制器，在Δu1(k)的基础上，以消除为目的进行增量式前一时刻未建模动态补偿控制器的设计，定义广义输出：θ(k+1)＝P(z
‑1)Δx(k+1)
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(3)
式中，P(z
‑1)＝A(z
‑1)
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：施惠元，杨辰，苏成利，彭博，左兰双，李平，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：