[发明专利]基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及流程工业控制技术领域，特别是涉及一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法。

背景技术

在当今的烟草、石油、化工等常见的工业过程中，传统PID控制器仍然是应用范围最为广泛的一种控制器。然而，在实际工业应用如烟草加工等过程中，常常存在着多种干扰因素，且被控对象通常还存在大滞后与强非线性的情况。当前，在大量的工业过程中，这些对象通常被近似为一阶环节，并使用简单的单回路控制系统以及传统PID控制器对其进行控制。这种方法能够基本满足实际工业生产的需求。但随着现代工业生产对产品质量、加工精度及能源消耗控制等因素的要求越来越严格，简单的单回路控制系统以及基于传统PID控制器的控制算法已经开始变得难以适应不断发展的工业需求。

同时，在流程工业技术领域，由于大滞后与强非线性情况的普遍存在，许多被控对象使用传统PID控制器都难以得到令人满意的控制效果，常常具有响应时间较长、超调量较大、稳态误差较大的特点，且当外界干扰作用于控制系统时，鲁棒性能不佳，严重影响了系统的性能，导致输出无法满足控制要求。因此，国内外的一些学者已经提出了一系列较为复杂的先进控制理论。其中双重控制是一种研究较为成熟的控制理论，并且已经在如蒸汽减压、原油温度控制等实际工业过程中得到了应用，并取得了较为良好的效果。双重控制系统具有快慢结合的特点，同时，其在处理具有大滞后特性等的控制对象时具有较好的抗干扰特性与鲁棒性。

另一方面，把工业过程中的被控对象近似处理为一阶加纯滞后环节是最常用的方法。在这一方法的基础上提出了，包括应用最为广泛的传统PID控制算法，在内的多种算法。控制器的参数整定也是在被控对象的一阶加纯滞后环节传递函数的基础上，使用Z-N经验公式法、Cohen-Coon法等得到。在应用中，这种方法已经被证明越来越难以满足工业生产过程对精确度等方面的需要。因此一些先进控制算法的开发对于提高生产效率与企业效益具有重要的意义。

在烟草、钢铁、化工等工业过程中，一些改进后的控制算法如Smith预估控制算法、内模控制算法等已经部分应用于对大滞后、强非线性环节的控制，但其控制性能仍有较大不足之处。因此，对此类控制对象的控制问题仍是流程工业控制环节的难点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何进一步提高流程工业领域控制系统的控制性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于组合积分控制器与双重控制系统相结合的控制方法，双重控制系统包括主、副控制对象及分别用于控制主、副控制对象的主、副控制器，其特征在于：所述主、副控制器均采用组合积分控制器。

优选地，所述组合积分控制器的输入/输出关系由下式表示：

其中，τ为控制对象滞后时间，K_p为增益、T为积分时间常数，e(s)为输入与输出之间的偏差，u(s)为输出。

优选地，所述主、副控制器均采用组合积分控制器后的系统控制对象由组合积分环节传递函数表示，形式为：

其中，G_i(s)为一不含积分环节的稳定多项式；对象的每一项必定包含形式，以保证系统稳定性，k为增益参数，τ为滞后时间；时滞常数τ_1i、τ_2i。必须满足方程：τ_2i＝τ_2(i-1)+τ_1(i-1)，1＜i＜n，以保证对象响应的连续性，不会出现突然跳跃。

本发明将组合积分控制器应用于双重控制系统中的快、慢响应回路中，取代原先使用的传统PID控制器，使得系统稳态误差、超调量与达到稳态时间减小，并提升系统的鲁棒性能。组合积分控制器的原理来自于算术平均值滤波环节，该环节相当于一个低通滤波器，使得组合积分控制器具备一定的抗噪声能力，能够完全抑制一些特定的周期性信号。

应用上述的技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将组合积分控制器与双重控制系统结合使用，组合积分控制器的滤波功能提升了系统抑制噪声的能力。系统能够迅速达到稳定值，响应速度很快，且超调量很小，几乎没有稳态误差。系统输出最终达到一个稳定值后，当加入干扰时，系统能够迅速恢复到原稳定状态，具有良好的鲁棒性能。

附图说明

图1为组合积分控制器的结构图；

图2为双重控制系统的结构图；

图3为本发明方法控制下存在干扰情况时系统控制响应波形图；