[发明专利]一种基于预测PI与偏置继电反馈的参数自整定PLC控制方法

说明书

本发明公开了一种基于偏置继电反馈与PLC的预测PI参数自整定控制系统，涉及工业过程控制技术领域，具体是，系统进入控制状态前先进行继电反馈辨识，待系统进入振荡后根据辨识图像数据计算对象模型，实现模型辨识并进入控制状态。当系统输出与预期输出有较大误差时自动进入辨识状态，辨识结束后再次回到控制状态，从而达到预测PI控制器参数自整定的目的。本方法在PLC中将两种算法结合并封装，取代了PLC内原有的PID控制模块，具有更好的控制性能与鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种基于预测PI与偏置继电反馈的参数自整定PLC控制方法，属于工业过程控制技术领域。

背景技术

在实际工业生产中，由于运输管道过长与控制作用延迟等原因，存在着各种各样大时滞与大惯性控制对象，此类对象用传统PID控制方法往往无法取得令人满意的效果。1959年，Smith提出了一种预估控制方法，利用补偿环节使被控量提前反馈到控制器输入端，从而使控制器提前作用。1992年，Hagglund首次提出了预测PI控制方法的思想，该方法能有效的克服大滞后与大惯性对象带来的时滞问题，随后经过专家们的不断改进，预测PI控制方法已变得越来越成熟与完善，如今已应用于许多工业生产过程中。

控制方法的控制效果依赖于控制器参数取值是否得当，而控制器参数通过分析控制对象模型来计算得到。往往工业生产设备老化或作业环境发生改变都会引起系统参数漂移，最终模型失配，导致控制效果急剧恶化。因此为了保证最好的控制效果，每次控制对象模型发生变化都需要重新辨识控制对象模型，修改控制器参数，这是一项费时费力的工作，大大增加了人工成本。为了解决这一问题，在20世纪90年代，Astrom等人提出了利用继电反馈来获取系统临界信息并实现PID参数自整定的方法，该方法在闭环状态下完成，不需要额外输入信号，可以迅速获取系统的临界振荡信息。1987年，Luyben在其基础上提出了ATV(Auto Tunning Variation)方法，由于方法简单易行，成为了工业应用中标准的继电辨识方法，但是ATV方法需要在控制对象增益与时滞都已知的情况下辨识时间常数。1997年，Wang，Q,G首次将带滞环的偏置继电反馈模型辨识方法应用到工程中，对于一阶加滞后模型，用这种辨识方法可以获得较精确对象模型。

基于偏置继电反馈的辨识方法通过获取系统临界振荡信息来计算控制对象模型，然后通过经验公式整定PID参数，并将PID方法应用到控制系统。相对于PID方法，预测PI方法具有更好的控制性能，响应速度快且无超调，控制参数少。再者，基于偏置继电反馈的辨识方法每次辨识完毕都需要手动计算控制器参数，大大增加了人工成本。因此，设计一种基于预测PI方法与偏置继电反馈的参数自整定控制器具有较大的实际应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是工业控制中对象模型多样易变、传统PID控制方法无法对大滞后对象进行有效控制以及控制器参数需要手动整定的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于预测PI与偏置继电反馈的参数自整定PLC控制方法，其特征在于，对于带不对称滞环的继电器系统，其一阶加纯滞后模型传递函数为

其中，K_p、T与τ分别代表对象增益、时间常数与时滞，s表示状态量；滞环大小为ε，其输出为u0+u1或u0-u1，其中u1为常规继电环节输出，u0为偏置量，系统输出在设定值sp附近产生振荡，根据其极限环振荡波形获取振荡周期的波谷部分为T_u1、波峰部分为T_u2，振荡波峰幅值为A_u，振荡波谷幅值为A_d；根据下述公式进行模型辨识计算出一阶加纯滞后模型的参数为：

控制对象模型为：

期望得到的闭环传递函数为：