[发明专利]不稳定时滞过程抗干扰PID控制器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业不稳定时滞过程的抗干扰PID控制器设计方法，是一种针对工业过程中的不稳定时滞对象，以内模控制理论和直接合成法为基础，提出的一种新型控制结构和解析控制器设计方法，能够分别通过单参数优化和调节控制系统的跟踪性能和扰动抑制性能指标，属于工业过程控制技术领域。 

背景技术

对不稳定过程的控制历来是控制界研究的一个难点问题，这主要是由于不稳定对象存在不稳定的动态特性和右半平面极点所带来的极大限制，并且不稳定过程对负载干扰非常敏感，很容易引起过程输出的波动。在工业过程领域，很多对象是不稳定的并且在变量的检测和控制回路中存在滞后现象。因此控制不稳定时滞过程是过程控制领域中很复杂、极具挑战性的问题，也引起了一些控制专家的研究兴趣。近几年在控制领域的国际和国内的重要刊物上刊登了一些知名学者和工程专家提出的针对不稳定时滞过程的设计方法和控制方案。有代表性的是Visioli. A在文献 Optimal tuning of PID controllers for integral and unstable processes（IEE Proc.Part D, 2001,   148(2):180-184.）中提出的一种常规的PID控制方法；Lee,Y.H在文献PID controllers tuning for integrating and unstable processes with time delay.(Chemical Engineering Science,2000,55,3481-3493)中提出的基于内模控制理念和H2最优指标设计的常规PID控制器来控制开环不稳定过程的方法。 

但是上述方法只是纯单位反馈PID控制方法，不能解决设定值跟踪响应和扰动抵制响应的折中问题。内模控制和Smith控制被视为过程控制中非常有效的控制方法，所以专家学者针对不稳定时滞对象，基于内模控制和Smith预估理论提出了改进的二自由度控制方法，A.Seshagiri Rao和 M.Chidambara在文献Analytical design of modified Smith predictor in a two-degrees-of-freedom control scheme for second order unstable processes with time delay(ISA Transaction, 2008,47,407-419)基于改进Smith预估控制采用直接合成法设计控制器提高控制系统的闭环性能。Liu T和Zhang w D在文献Analytical design of two-degree-of-freedom control scheme for open-loop unstable processes with time delay(Journal of Process Control, 2005, 15,559-572)对含时滞的积分和不稳定对象提出新颖的两自由度控制结构，用比例控制器镇定给定值响应,基于鲁棒H₂最优性能指标设计给定值跟踪控制器,利用扰动观测器抑制负载干扰信号取得了较好的控制效果。解决了系统设定值跟踪响应和扰动抵制响应之间的耦合问题，但是并没有很好的改善系统对扰动的抵制性能，并且设计的控制器形式较复杂，不利于工程实现。 

授权公告号CN 100476647C（申请号200710043735.2）的中国专利文献公开了一种检测技术领域的工业不稳定时滞过程模型在线检测的方法。是在继电特性作用下，整个闭环系统进入振荡过程，在此过程中，分别记录下继电器和对象输出数组，并保存在随机存取存储器中，通过数据分析，判断对象输出的波形是否出现稳定振荡的极限环。并根据对象输出波形是否是极限环情况，采用不同的不同的调节方式，解析计算出系统模型参数。此专利只是针对于不稳定时滞过程的系统的参数辨识。 

申请公布号CN 101968628 A（申请号201010276412.X）的中国专利文献公开了一种针对时变时滞不确定系统的饱和自调整控制器，包括自调整限幅器、常规PID控制器和抗积分饱和器三部分，通过其仿真效果图可以看出，该专利设计的控制器具有较好的控制性能。 

在控制系统设计过程中，往往只注重设定值跟踪性能而忽略或降低了对扰动的抑制作用要求，这样对实际生产是非常不利和有害的。 

发明内容