專利名稱：大滯后系統(tǒng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制方法，尤其涉及一種大滯后系統(tǒng)控制方法。
背景技術(shù)：
PID控制算法具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性廣和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在控制 理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。圖l是現(xiàn)有閉環(huán)控 制系統(tǒng)原理框圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖l，PID控制器l接受偏差信號(hào)e(t)，輸出控制信號(hào)u(t)給執(zhí)行 部件2，執(zhí)行部件2驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象3，檢測(cè)元件4檢測(cè)被控對(duì)象3的輸出c (t)并提供偏差 e(t)給PID控制器l。 PID控制器1是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱，通過(guò)調(diào)節(jié)比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki、 微分參數(shù)Kd整定，圖2是典型二階系數(shù)單位階躍響應(yīng)偏差曲線，請(qǐng)參見(jiàn)圖2，其中，比例調(diào)節(jié) 的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，但對(duì)帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，動(dòng)態(tài)特性也差。比例系數(shù)Kp增 大可以加快響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差，提高控制精度。但是Kp過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚 至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；若Kp取得過(guò)小，能使系統(tǒng)減少超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，但會(huì)降低系統(tǒng)的 調(diào)節(jié)精度，使過(guò)渡過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)。積分調(diào)節(jié)可消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，適用于有自平衡性的系 統(tǒng)。加大積分系數(shù)Ki有利于減小系統(tǒng)靜差，但過(guò)強(qiáng)的積分作用會(huì)使超調(diào)量加劇，甚至引起 振蕩；減小積分系數(shù)Ki雖然有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，避免振蕩，減小超調(diào)量，但又對(duì)系統(tǒng)消除靜態(tài) 偏差不利。微分調(diào)節(jié)作用主要是針對(duì)被控對(duì)象的慣性改善動(dòng)態(tài)特性，它能給出響應(yīng)過(guò)程提 前制動(dòng)的減速信號(hào)，有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速 度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。Kd的值對(duì)響應(yīng)過(guò)程影響非常大。若增加微分 作用Kd，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加穩(wěn)定性，但也會(huì)帶來(lái)擾動(dòng)敏感，抑制干擾 能力減弱，若Kd過(guò)大會(huì)使響應(yīng)過(guò)程過(guò)分提前制動(dòng)從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間；反之，若Kd過(guò)小，調(diào)節(jié) 過(guò)程的減速就會(huì)滯后，超調(diào)量增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，穩(wěn)定性變差。因此，對(duì)于時(shí)變且有不確定 性的系統(tǒng)，Kd不應(yīng)取定值，應(yīng)適應(yīng)被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)而隨機(jī)改變。 由上述分析可看出嚴(yán)格意義上的PID參數(shù)整定是數(shù)學(xué)解，最優(yōu)PID參數(shù)實(shí)際上 也只是一種折衷，例如有的工況要求無(wú)超調(diào)，PID就無(wú)能為力；要求對(duì)對(duì)象建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué) 模型，這在很多情況下是難以實(shí)現(xiàn)的；PID參數(shù)一旦整定，再也沒(méi)有調(diào)控手段對(duì)參數(shù)及控制 過(guò)程性能進(jìn)行干預(yù)；對(duì)不確定性的復(fù)雜對(duì)象因難于數(shù)學(xué)建模用PID控制策略難以進(jìn)行有效 控制。對(duì)于滯后較大，時(shí)間常數(shù)較大，干擾多而劇烈的控制系統(tǒng)，PID控制很難調(diào)節(jié)，控制效 果差。因此，人們不斷在簡(jiǎn)單的PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改用其他調(diào)節(jié)方式。常見(jiàn)的如串級(jí)調(diào) 節(jié)，它的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器相串聯(lián)，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，適用于時(shí)間常數(shù) 及沌滯后較大的對(duì)象，如加熱爐、蒸餾塔、鍋爐減溫水的汽溫控制；或者在簡(jiǎn)單的PID控制 系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加PID前饋控制。此外，一些高級(jí)控制方法，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控 制等也開(kāi)始用于大滯后系統(tǒng)的控制。但由于大滯后系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程變量?jī)?nèi)部存在相關(guān)過(guò)程， 控制系統(tǒng)相互之間會(huì)出現(xiàn)干擾，上述控制方法調(diào)節(jié)復(fù)雜，且仍很難兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn) 定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大滯后系統(tǒng)控制方法，不但易于調(diào)節(jié)控 制，而且能兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種大滯后系統(tǒng)控制方法， 根據(jù)偏差輸出控制量，其中，所述方法包括如下步驟(a)當(dāng)e(k) Ae(k) X)時(shí)，u(k)= u (k-1) +kp A e (k) ; (b)當(dāng)e (k) A e (k) < 0時(shí)，u (k) = u (k_l) ; (c)當(dāng)A e (k) = 0時(shí)， 如果|e(k)| <emin，u(k) = u (k_l)，否則，u (k) = u (k_l)+ki e (k) ， emin為預(yù)設(shè)的期望 偏差；Ae(k) = e(k)-e(k-l)， e (k)為離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的偏差值，e(k-l)為前一個(gè) 采樣時(shí)刻的偏差值，u(k)為當(dāng)前控制器輸出，u(k-l)為前一次控制器輸出，k為自然數(shù)。
上述的控制方法，其中，若|e(k) I < emin，切換成PID控制。 上述的控制方法，其中，切換前系統(tǒng)的控制周期為Tl，切換后系統(tǒng)的控制周期為 T2， Tl > T2。 上述的控制方法，其中，若|e(k) I > emax，切換成棒棒控制。 本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果本發(fā)明提供的控制方法，根據(jù)偏差及其 變化趨勢(shì)輸出控制量當(dāng)偏差增大時(shí)，采用比例控制增加控制量以便加快響應(yīng)速度；當(dāng)偏 差減小時(shí)，保持控制量不變以便觀察系統(tǒng)是否趨于穩(wěn)定；當(dāng)偏差保持不變且未達(dá)到控制期 望值時(shí)，采用積分使系統(tǒng)的輸出不斷逼近期望值。本發(fā)明提供的控制方法易于調(diào)節(jié)控制，且 能兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。


圖1是現(xiàn)有閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖； 圖2是典型二階系數(shù)單位階躍響應(yīng)偏差曲線； 圖3是本發(fā)明主流程框圖。 圖中 1PID控制器 2執(zhí)行部件 3被控對(duì)象 4檢測(cè)元件
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種大滯后系統(tǒng)控制方法， 根據(jù)偏差輸出控制量，其中，所述方法包括如下步驟(a)當(dāng)偏差增大時(shí)，采用比例控制增 加控制量；(b)當(dāng)偏差減小時(shí)，保持控制量不變；(c)當(dāng)偏差保持不變時(shí)，若偏差已經(jīng)小于預(yù) 設(shè)閥值，保持控制量不變，否則，采用積分增加控制量。
圖3是本發(fā)明主流程框圖。 請(qǐng)參見(jiàn)圖3，本發(fā)明提供的控制方法，設(shè)e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的偏差 值，e(k-l)、e(k-2)分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，u(k)為當(dāng)前輸出控制量， k為自然數(shù)，則有
Ae(k) = e(k)-e(k-l)
4
Ae(k-l) = e(k-l)-e(k-2) 本發(fā)明提供的控制方法，系統(tǒng)初始化后，周期性地讀入采樣值，計(jì)算e (k) 、e (k-l)、 e(k-2)和Ae(k)，根據(jù)偏差e(k)及其變化趨勢(shì)A e (k)輸出控制量u (k)，使系統(tǒng)的輸出不 斷逼近期望值，從而可以提高穩(wěn)態(tài)精度。 下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的控制方法對(duì)偏差及其變化趨勢(shì)特征判斷極其相應(yīng)的控制 方法。 (1)當(dāng)e(k) Ae(k) > 0時(shí)，說(shuō)明偏差在朝絕對(duì)值增大的方向變化，如圖2中的
n、 iv、 vi、vni......區(qū)域，此時(shí)u(k) = u(k-1)+kp Ae(k) (2)當(dāng)e(k) Ae(k) < 0時(shí)，說(shuō)明偏差在朝絕對(duì)值減小的方向變化，如圖2中的
i、 ni、v、vn......區(qū)域，此時(shí)u(k) = u(k-l) + Au(k) (3)當(dāng)|e(k) I < emin，說(shuō)明偏差已經(jīng)落入控制范圍內(nèi)，保持輸出控制量
u(k) = u(k-l)
以上式中 u(k-l)為第(k-l)次控制器輸出；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；emax為預(yù)設(shè)的 最大偏差；emin為預(yù)設(shè)的最小偏差，即期望的控制偏差。 上述按照偏差及其變化趨勢(shì)的非線性控制算法，能較好克服常規(guī)PID的缺點(diǎn)。規(guī) 則1體現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，規(guī)則2、3條體現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而兼顧了系統(tǒng)的快 速性和穩(wěn)定性。 上述的控制方法，若偏差e(k)小于預(yù)設(shè)的最小偏差emin，為了更好地保證系統(tǒng)穩(wěn) 定性，系統(tǒng)接近平衡時(shí)，可以切換成PID控制，具體輸出如下
u(k) = u(k-l) + Au(k); Au(k) = Kpl[e(k)-e(k-l)]+Kil e (k)+Kd[e (k)-
2e(k-l)+e(k-2)]; Kpl為比例系數(shù)，Kil為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。 此外，上述的控制方法由于切換前采用滯后的等等看的控制策略，因此，此時(shí)系統(tǒng) 采樣周期和控制周期可以取得比較長(zhǎng)，當(dāng)系統(tǒng)切換到PID后，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制 周期應(yīng)該采用正常的控制周期，若切換前系統(tǒng)的控制周期為T1，切換后系統(tǒng)的控制周期為 T2， Tl > T2。 當(dāng)|e(k) I > emax時(shí)，說(shuō)明偏差的絕對(duì)值很大，此時(shí)不論偏差的變化趨勢(shì)如何， 都應(yīng)考慮控制器按最大(或最小)輸出，以迅速調(diào)整偏差，因此上述的控制方法，其中，若 e(k) I > emax，切換成棒棒控制，具體輸出如下:
u (k) = Umax當(dāng)e (k) > 0時(shí)
u (k) = Umin當(dāng)e (k) < 0時(shí) Umax為控制器輸出最大值；Umin為控制器輸出最小值。 綜上所述，本發(fā)明提供的控制方法，根據(jù)偏差e(k)及其變化趨勢(shì)Ae(k)輸出控制 量u(k)，不但易于調(diào)節(jié)控制，而且能兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。特別是和PID、棒棒控制 相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，滿足大滯后系統(tǒng)的控制要求。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技 術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范 圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種大滯后系統(tǒng)控制方法，根據(jù)偏差輸出控制量，其特征在于，所述方法包括如下步驟(a)當(dāng)e(k)·Δe(k)＞0時(shí)，u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)，kp為比例系數(shù)；(b)當(dāng)e(k)·Δe(k)＜0時(shí)，u(k)＝u(k-1)；(c)當(dāng)Δe(k)＝0時(shí)，如果|e(k)|＜emin，u(k)＝u(k-1)，否則，u(k)＝u(k-1)+ki·e(k)，emin為預(yù)設(shè)的期望偏差，ki為積分系數(shù)；其中Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)為離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的偏差值，e(k-1)為前一個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，u(k)為當(dāng)前控制器輸出，u(k-1)為前一次控制器輸出，k為自然數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的控制方法，其特征在于，若|e(k) I 〈emin，切換成PID控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，切換前系統(tǒng)的控制周期為Tl，切換后 系統(tǒng)的控制周期為T2， Tl > T2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的控制方法，其特征在于，若|e(k) I 〉emax，切換成棒棒控制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大滯后系統(tǒng)控制方法，根據(jù)偏差輸出控制量，其中，所述方法包括如下步驟(a)當(dāng)e(k)·Δe(k)＞0時(shí)，u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)；(b)當(dāng)e(k)·Δe(k)＜0時(shí)，u(k)＝u(k-1)；(c)當(dāng)Δe(k)＝0時(shí)，如果|e(k)|＜emin，u(k)＝u(k-1)，否則，u(k)＝u(k-1)+ki·e(k)，emin為預(yù)設(shè)的期望偏差。本發(fā)明提供的大滯后系統(tǒng)控制方法，不但易于調(diào)節(jié)控制，而且能兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05B11/42GK101713961SQ20091020122
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者袁亞軍 申請(qǐng)人:袁亞軍