[发明专利]一种二阶惯性纯滞后智能串级控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种二阶惯性纯滞后智能串级控制系统，其特征在于，所述系统的内回路采用预测PI控制器，外回路采用模糊预测PI控制器。

2.一种权利要求1所述的二阶惯性纯滞后智能串级控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用模糊预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设计内回路预测PI控制器：内回路传递函数的数学模型如式(6)所示，期望得到的内回路闭环传递函数如式(9)所示，

式中，K₁为被控对象中的增益、T₁为纯滞后时间常数，τ₁为滞后时间，λ₁为引入的一个新的控制器参数，当0＜λ₁＜1时，内回路闭环响应速度加快，通过调整该参数值以得到期望的闭环响应时间常数；

根据内回路求得闭环传递函数：

由式(6)、式(9)以及式(10)求得预测PI控制器的传递函数如式(11)所示，

从而得到预测PI控制器的输入输出关系：

式中，e₁为误差；

步骤2，设计外回路模糊预测PI控制器：所述模糊预测PI控制器主要分为3个部分：模糊控制部分、PI控制部分以及预测部分；

所述模糊控制部分的输入为系统偏差e和偏差的变化率ec，输出为PI控制部分的参数λ；所述PI控制部分的输入为系统偏差e与调节参数，输出调节信号u₀进入预测部分；所述预测部分与系统的纯滞后时间相匹配，对PI控制器的输出进行预测补偿，然后将输出u₂给到广义被控对象；

步骤3，改进粒子群算法：假设在D维搜索空间中，有m个粒子，其中第i个粒子的位置记为X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_iD)，速度记为V_i＝(v_i1,v_i2,…,v_iD)，找到的最优位置记为适应度值记为则粒子i下一步的最优位置根据公式(13)来确定：

式中，为第i个粒子在下一位置时刻的最优位置，为第i个粒子在当前位置时刻的最优位置，X_i(t+Δt)为第i个粒子在下一位置时刻的位置，为第i个粒子在当前位置时刻的适应度值，Q[X_i(t+Δt)]为第i个粒子在下一位置时刻的适应度值；

整个种群在空间中找到的最优位置记为适应度值记为则粒子按式(14)进行速度的更新，即

式中，v_ij(t+Δt)为粒子在下一位置时刻的速度，v_ij(t)为粒子在当前位置时刻的速度，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,N，t表示当前位置时刻，t+Δt表示下一位置时刻，c₁、c₂表示学习因子，r₁、r₂表示(0,1)的随机数；

在速度更新过程中，将粒子的速度更新范围设置为V_ij∈[-V_max,V_max]，然后按式(15)进行粒子位置的更新，即

x_ij(t+Δt)＝x_ij(t)+v_ij(t+Δt) (15)

式中，x_ij取值范围是根据实际问题确定的，即根据式(14)及式(15)这样一步一步地走下去，直至达到要求，取得极值为止；

在式(14)中引入一个收缩因子γ，对式(14)、(15)进行以下改进：

x_ij(t+Δt)＝x_ij(t)+v_ij(t+Δt) (17)

其中，

步骤4，改进粒子群算法优化模糊预测PI控制器参数λ：选取ITAE积分性能指标确定误差是否最小的评价性能指标，其表达式如式(19)所示：

式中，e(t)主蒸汽温度偏差；

在进行计算机仿真时，需要对式(19)进行离散化，即

式中，ΔJ为Δt时间段内误差函数加权之后的积分值，Δt为采样周期，E为误差，τ为离散化后的时间。