用于调整多变量pid控制器的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于调整过程设备中多变量比例积分导数(PID)控制器的方法。所述设备具有至少一个用于控制所述设备的过程的PID控制器。所述方法包括以下步骤：公式化用于设备的过程模型的模型预测控制(MPC)；获得与MPC相关的对于至少一个临界范围的最优控制解决方案；确定对应于所述最优控制解决方案的PID调整参数；利用PID调整参数调整PID控制器。本发明还提供一种根据本发明方法的方法调整多变量比例积分导数(PID)控制器的系统。
【专利说明】用于调整多变量PID控制器的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业控制系统中的控制器，并且更具体地涉及多变量PID(比例积分导数)控制器的调整。
【背景技术】
[0002]PID控制器是与具有反馈机制的控制环有关的控制器，并且是工业控制系统中最常用的反馈控制器。在控制环中采用PID控制器，通过调节过程控制输入使表明所测量的过程变量和期望设定点之差的误差最小化。
[0003]PID控制器包含对应于比例(P)，积分⑴和导数⑶值的恒定参数，所述值在时间方面来解释，其中P取决于现有误差，I取决于过去误差的累积，以及D是未来误差的预测。在通过控制要素(例如控制阀的位置等)调节过程时，利用这三个参数P，I和D的加权和。
[0004]在实际中，控制器需要通过调节其控制参数来调整，以便实现期望的控制响应。因此，PID控制器也需要这种调整，尽管仅包括三个控制参数也不是微不足道的，原因是，调整PID控制器必须满足PID控制的限制内的复杂标准，使得其是反馈系统，整体性能是反应性的等。
[0005]基于启发式规则或直到现在已知的任何其他规则或类似的PID调整专注于单环性能，而没有解决过程相互作用。然而，考虑和解决过程相互作用以实现更好的过程控制变
得重要。
[0006]如果系统具有多于一个的被控制变量或多于一个的可操纵变量，那么所述系统被称为是多变量的。多变量PID迎合上述过程相互作用，并且对应于多个单环PID，具有解决所述过程相互作用的调整。因此，与单环性能相比，多变量PID更佳，因为其将过程信息捕捉到调整规则中。然而，管理控制器(例如，模型预测控制(MPC)，模糊控制等)确保更好的控制器性能。特别地，MPC考虑了对系统的约束，同时以在调整规则内考虑过程模型的预测能力的预测方式使输出误差最小化。
[0007]当前，由于多个实际上已知的原因(例如传统，可靠性，简单性等)中的一些，PID控制器仍将继续是过程工业中最主要使用的控制器。因此，以包括MPC优点的最优方式解决多变量过程的PID控制器的调整变得重要，并且本发明的目的在于提供一种用于所述PID调整的解决方案。
[0008]发明目的
[0009]本发明的一个目的是提供一种用于调整包括MPC的多变量PID的方法。
[0010]本发明的另一个目的是提供一种用于调整多变量PID的方法，其提供对应于最优控制解决方案的PID调整参数值。
[0011]本发明的另一个目的是提供一种用于调整多变量PID的方法，其中PID参数的可管理集合是可以实现的。
[0012]本发明的另一个目的是提供一种根据本发明方法调整多变量PID的系统。
【发明内容】
[0013]因此，本发明涉及一种用于调整过程设备中多变量比例积分导数(PID)控制器的方法。所述设备具有至少一个用于控制设备的过程的PID控制器。所述方法包括以下步骤:公式化用于设备的过程模型的模型预测控制(MPC);获得与MPC相关的对于至少一个临界范围的最优控制解决方案；确定对应于所述最优控制解决方案的PID调整参数；利用PID调整参数调整PID控制器。
[0014]因此，本发明涉及一种根据本发明方法调整多变量比例积分导数(PID)控制器的系统。所述系统包括至少一个用于控制所述设备的过程的PID控制器，用于设备的过程模型，用于公式化过程模型的MPC的MPC模块，用于获得最优控制解决方案及其中的PID调整参数的优化模块，以及利用所述PID调整参数调整所述至少一个PID控制器的调整模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]参照附图，其中:
[0016]图1示出了根据本发明调整多变量PID控制器的方法。
[0017]详细描述
[0018]本文下面参照如图1所示的非穷举示例性实施例进一步描述本发明。
[0019]在图1中，设备(100)具有至少一个用于控制所述设备(100)过程的PID控制器(110)。本文提到的PID控制器对应或涉及任何控制器类型，即比例，比例积分，比例导数或比例积分导数。通过过程模型(120)表示设备(100)以及与其相关的控制过程。
[0020]提供模型预测控制(MPC)模块用于公式化过程模型(120)的MPC。离线进行MPC的公式化。利用显式MPC(e-MPC)算法以获得MPC的离线解决方案。MPC的离线解决方案考虑了对设备或系统的约束。同时，其有能力以预测方式使误差最小化。因此，MPC的解决方案获得过程模型的预测能力。
[0021]MPC的解决方案提供最优控制解决方案(150)，其迎合在确认的临界区域中状态的仿射函数，并且可以捕获在查找表中。所述查找表的内容(基本上每个最优控制解决方案)表示静态状态反馈控制规律。由此，需要通过优化模块对应于最优控制解决方案确定所述PID调整参数。这可能包括减少PID调整参数(160)的集合数量。
[0022]减少PID调整参数(160)的集合数量可以通过以下方式实现:a)合并或组合某些临界区域，然后确定对应于合并或组合的临界区域的PID调整参数；或《合并或组合已确定的对应于不同临界区域的一些PID调整参数，然后将这些不同的临界区域组合或集中在一起。然而，组合区域将导致放宽对可操纵和/或控制变量的约束。
[0023]PID调整参数及其对应的操作范围构成自适应增益PID控制器。PID控制器(110)与该自适应增益PID控制器或自适应PID控制器相关联。操作范围是对于所有状态、控制变量和可操纵变量的可接受值的范围。临界区域是操作范围的子集，其中最优控制解决方案在一个临界区域内是有效的。所有临界区域的总和构成操作范围。
[0024]通过调整模块等来调整(170) PID控制器(110)，与PID调整参数有关，并且参照自适应PID控制器。调整的PID控制器，其是表明多个具有至少一个控制变量和相应可操纵变量的单环PID的多变量PID控制器，其在设备中的闭环中在线实施。由于在考虑对设备及其中系统的约束的情况下获得最优控制解决方案，因此该确定的PID调整参数也继承了已考虑的约束。因此，PID调整参数隐含地考虑了对设备的约束。
[0025]为了更好的理解本发明，通过非穷举示意性实例进一步描述本发明。
[0026]考虑表示设备及其系统的离散动态状态空间模型:
[0027]xk+1 = f (xk, uk)
[0028]yk = g(xk, uk)
[0029]其具有以下约束:
[0030]^min < < ^max- V/r>0
[0031]Wmin <uk< Mmax, /k>0
[0032]Aurmn < Auk < Auimx, /k>0
[0033]其中，y e IRp是输出的向量，u e ITn是输入的向量是状态的向量，以及Km 9 Auk = Uk - U^1，f和g是状态X和输入u的函数。这种一般系统在线性化时还可
以表示为以下状态空间形式:
[0034]xk+1 = Axk+Buk
[0035]yk = Cxk+Duk
[0036]用于线性和非线性系统模型的MPC被精确建立，并且是:
[0037]
【权利要求】
1.一种用于调整设备中多变量比例积分导数(PID)控制器的方法，所述设备具有至少一个用于控制所述设备的PID控制器，所述方法包括以下步骤: 公式化用于所述设备的模型的模型预测控制(MPC)； 获得与所述MPC相关的对于至少一个临界范围的最优控制解决方案； 其中所述方法包括 确定对应于所述最优控制解决方案的PID调整参数；以及 利用所述PID调整参数调整所述至少一个PID控制器。
2.如权利要求1所述的方法，其中公式化所述MPC和获得所述最优控制解决方案是离线完成的。
3.如权利要求1所述的方法，其中获得对于至少一个临界区域的最优控制解决方案表明操作的临界区域中的状态，输入或误差或类似物中的一个或多个的仿射函数。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定PID调整参数还包括减少PID参数的集合数量。
5.如权利要求4所述的方法，其中通过合并或组合操作的某种临界区域，并且确定其中的PID调整参数来减少PID调整参数的集合数量。
6.如权利要求4所述的方法，其中通过合并或组合对应于不同临界区域的某些PID调整参数，并且合并或组合所述不同的临界区域来减少PID调整参数的集合数量。
7.如权利要求1所述的方法，其中与考虑设备的一个或多个约束的所述MPC相关地获得最优控制解决方案。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述PID调整参数考虑与过程模型相关的MPC的预测能力，由此以预测方式使输出误差最小化。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述PID调整参数及其对应的临界区域表明具有自适应增益的PID控制器或自适应PID控制器。
10.如权利要求1所述的方法，其中将所述至少一个PID控制器调整为自适应PID控制器。
11.如前述任一权利要求所述的方法，还包括在所述设备中的闭环中在线实施所述至少一个PID控制器。
12.一种根据前述任一权利要求所述的方法调整多变量比例积分导数(PID)控制器的系统，所述系统包括: 至少一个用于控制所述设备的过程的PID控制器； 用于所述设备的过程模型； 用于公式化所述过程模型的MPC的MPC模块；其中所述系统包括用于获得最优控制解决方案及其中的PID调整参数的优化模块； 利用所述PID调整参数调整所述至少一个PID控制器的调整模块。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述PID控制器是具有与PID调整参数及其对应的临界区域相关的自适应增益的自适应PID控制器。
14.如权利要求12所述的系统，其中MPC考虑设备的一个或多个约束，并且具有预测能力，由此以预测方式使输出误差最小化。
15.如权利要求12-14中任一权利要求所述的系统，其中多变量PID表明多个具有至少一个控制变量及相应可操纵变量的单环PID。
【文档编号】G05B13/04GK103998999SQ201280052488
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年10月24日
【发明者】A·古普塔 申请人:Abb研究有限公司