[发明专利]一种工业过程的预测时域优化的扰动补偿控制方法

权利要求书

1.一种工业过程的预测时域优化的扰动补偿控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、根据被控对象设计内环控制器；

步骤2、设计外环控制器；

所述步骤1包括如下步骤：

1.1、通过被控对象的实时阶跃响应数据得到被控对象的传递函数模型为：

其中，G(s)为被控对象的传递函数，s为拉普拉斯变换算子，K为模型增益，T为模型的惯性时间系数，D为模型的滞后时间；

1.2、计算历史控制量的控制效果

由于被控系统的延迟时间为D，选取时间段(t-D，t)的历史控制量做为参考依据，计算它们的积分Q：

其中k_q为历史控制量的积分系数；

1.3、确定基础控制器

PI控制器的关系式如下

其中k_p是PI控制器比例系数，k_i是PI控制器积分系数，e(t)为当前时刻误差；取λ为调节参数；

1.4、确定预测时域

首先确定预测时域为(t，t+P)，计算该时间段内的控制量的积分H

取

1.5、推导内环控制器的输入输出关系

将历史控制量的控制效果，与预测时域的控制效果对PI控制器的控制量进行修正得到内环控制器的输入输出关系为：

由于未来时刻的控制量u是未知的，为了使控制器能够实现令未来时刻的控制量都等于u(t),上式简化为

其中u₁(s)为内环控制器的输出控制量，该控制量直接对被控系统进行控制；e₁(s)为内环的输入量，其值等于外环控制器控制量输出与被控对象实际输出值之差；

1.6、内环控制器输入输出关系的离散化

选择一个合适的采样时间T_s，得到下式

其中，另外k_p,k_i,k_q,p均为调节参数。

2.如权利要求1所述的工业过程的预测时域优化的扰动补偿控制方法，其特征在于：

所述步骤2包括如下步骤：

2.1、把步骤1得到的内环控制器和被控系统组成一个闭环传递函数得到

把其化为微分形式

令得到

其中b₀为高频增益，d为外部扰动；

2.2、选取x₁＝y,x₂＝f将上式写成如下的状态空间表达式

y＝x₁

2.3由上式建立二维状态观测器

上式中z₁→y,z₂→f，β₁，β₂是观测器增益，通过适当选取β₁，β₂，可实现观测器对系统中个状态变量跟踪，即

2.4、求解二维状态观测器的特征方程

对二维状态观测器方程拉式变换可得

二维状态观测器对应的特征方程为

L^*(s)＝s²+β₁s+β₂

将观测器的2个极点统一配置到s平面左半实轴-ω₀处

L^*(s)＝(s+ω₀)²

从而确定观测器增益

β₁＝2ω₀，β₂＝ω₀²

2.5、控制量选取

设系统的输入是r，则控制量为如下形式

上式中k₁为控制器增益，把上式整理为

根据上式计算控制器传递函数

特征方程如下

C(s)＝s+k₁

将控制器的极点配置到s平面左半实轴-ω_c处，从而确定外环控制器增益k₁；在选择合适的λ，ω₀,ω_c后，通过二维状态观测器得到y的观测值z₁和系统总扰动的观测值z₂，计算出外环控制量u；内环控制器根据u与y的差值计算出u₁，再将其作用于被控对象。