基于模范系统的优化控制系统方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动控制领域，具体设及工业过程控制系统的优化设计、被控对象参 数辨识W及控制器参数在线整定的一整套优化控制系统实现方法。
【背景技术】
[0002] 当前工业过程控制中常用的控制系统优化方法基本分为=类，一类是操作人员凭 经验逐一就具体对象对PID控制参数整定的方法，缺点是凭人的经验随意性大，无法确保 优化结果。再一类是先对具体对象进行模型参数辨识，之后W某目标的寻优过程来确定调 节控制参数，辨识算法一般较为复杂，且需逐一对具体对象进行反复捜索、迭代、逼近的寻 优过程，使得在实施、维护中耗时费力，存在不易推广普及的限制。还有一类采用在线自适 应调节控制器参数的各种算法（同样存在算法复杂，仅对某种对象适用、甚至鲁棒性差，需 高级技术人员实施、应用成本高等不利因素）。
[0003] 然而实际应用中大量的控制需求是希望通过简捷易行的手段达到针对所选目标 的最优控制设计，特别是在现场能够按照确定的几步简单操作就可W完成对被控对象模型 参数的辨识和对控制器参数进行及时整定维护，W便普通技术操作人员就能长期保障系统 按照优化设计运行。
【发明内容】
[0004](一）要解决的技术问题
[0005] 本发明的目的在于，提供一种基于模范系统的优化控制系统方法，能便捷地算出 控制系统的控制器参数与滤波器参数，从而实现优化控制，并能长期保障系统按照优化设 计运行。
[000引（二）技术方案
[0007] 本发明提供一种优化控制系统的方法，控制系统包括滤波器Gf、控制器Gc及被控 对象邱，其中，指定被控对象邱的数学模型为：
[0008]
[0009] 化2> 0;K1〉0 ;K〇> 0 ;X〉0)
[0010]式中，S为拉氏算子，K。为积分因子，Ki为比例因子，K2为微分因子，T表示时滞 值；指定所述控制器（Gc)的数学模型为：
[001 引 Ti=Ki/K。
[0014]Td=K2/K1
[0015]
[0016] 式中，化、Ti、Td和Tf均为控制器参数，化为比例系数、Ti为积分系数、Td为微分 系数、Tf为滤波系数；
[0017] 指定所述滤波器（Gf)的数学模型为：
[0018]
[0019] 式中，A1为跟随滤波参数，A2为抗扰滤波参数；
[0020] 所述模范系统包括被控对象Go及滤波器Gfo,其中，指定所述被控对象Go的数学 模型为：
[0021]
[0022]式中，a2为模范抗扰参数，
[0023] 指定所述滤波器Gfo的数学模型为：
[0024]
[002引式中，a1为模范跟随参数；方法包括W下步骤：
[0026]S1，在模范系统中，根据控制需求选择评价指标，并对该评价指标进行目标优化， 得到一对优化参数.
[0027]S2,根据优化参数计算所述控制系统的滤波器参数和控制器参数。
[002引S3,制定模范响应模板，并根据滤波器参数、控制器参数和模范响应模板辨识被控 对象的对象参数。
[002引 S4,根据所述控制系统的运行状态，在线整定控制参数。
[0030] (S)有益效果
[0031] 本发明提供的优化控制系统的方法，具有W下优点：首先，优化设计过程不针对具 体对象，而是针对特定的模范对象先期一次完成，大大减少了现有方法需要逐一对具体对 象寻优的工作量；不限定所选的优化目标和寻优手段，因此适应多种控制特性需求；辨识 过程步骤与算法直观简单、利于现场操作实施，控制参数在线整定的过程与辨识过程机理 一样，都引入了优化响应模板，所整定的调节变量与对象参数有对应关系，很好理解掌握、 实施条件容易满足，便于及时维护系统按优化目标运行。总之运整套优化控制实施方案，适 用于常见的工业对象，特别是食品、纺织、化工、环保等行业中工艺过程调节变量的控制，而 且本方法易于由一般技术人员掌握和推广使用。
【附图说明】
[0032] 图1是控制系统的结构图。
[0033] 图2是模范系统的结构图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明针对工业过程常见的对象类型，提供一种基于模范系统的优化控制系统方 法，经对选定目标寻优获得运类对象（非具体对象）的一对优化参数；再W模范系统优化响 应函数为模板逐步辨识出具体对象参数，由此便捷地算出实际系统的控制器参数与滤波器 参数，从而实现优化控制；并且基于前述模板设计在线控制参数的整定办法，用于维护长期 优化控制效果。
[0035] 根据本发明的一种实施方式，控制系统包括滤波器Gf、控制器Gc及被控对象Gp， 其中，指定所述被控对象Gp的数学模型为：
[0036]
[0037]化2> 0 ;K 1〉0 ;K〇> 0 ; X〉0)
[0038]此模型基本涵盖了工业过程中占多数的常见一阶化2 = 0)、二阶、积分型化0 = 0)、非积分型且含时滞（1〉〇)运一类对象，式中，S为拉氏算子，K。为积分因子，Ki为比例因 子，K2为微分因子，X表示时滞值；指定所述控制器Gc的数学模型为：
[0044] 式中，化、Ti、Td和Tf均为控制器参数，化为比例系数、Ti为积分系数、Td为微分 系数、Tf为滤波系数；
[0045] 指定所述滤波器Gf的数学模型为：
[0046]
[0047] 式中，A1为跟随滤波参数，A2为抗扰滤波参数；
[0048] 所述模范系统包括被控对象Go及滤波器Gfo,其中，指定所述被控对象（Go)的数 学模型为：
[0049]
[0050]式中，a2为模范抗扰参数，
[0051] 指定所述滤波器Gfo的数学模型为：
[0052]
[005引式中，a1为模范跟随参数；
[0054]如果a1,a2满足：
，:控制系统时域响应函数y(t)和模范系统时域 响应函数y"(t)的关系为：y(t) =y"(t/i)。由此针对模范系统某目标的响应进行优化，取 得优化参数后，再令：
就可W使控制系统对同一个目标实 现优化响应。
[00巧]根据本发明的一种实施方式，优化控制系统方法包括：
[0056]S1，在模范系统中，根据控制需求选择评价指标，并对该评价指标进行目标优化， 得到一对优化参数.
[0057]S2,根据优化参数计算所述控制系统的滤波器参数和控制器参数。
[0058]S3,制定模范响应模板，并根据滤波器参数和控制器参数辨识被控对象的对象参 数。
[0059] 根据本发明的一种实施方式，步骤S1包括：
[0060]S11，先对仅有阶跃干扰响应的抗扰评价指标进行优化，得到优化参数炼^，:其中， 所述阶跃干扰响应的表达式为：
[0061]
[0062] Go(巧表示所述模范系统的被控对象；
[0063] 所述抗扰评价指标的优化目标表达式为：
[0064]
[0065]fi(y"d(t))表示含y"d(t)的某评价函数；
[0066]y"d(t)表示阶跃干扰响应时域函数；
[0067] 仿^表示当Ld为最小时的a2值，也称优化抗扰参数；
[0068]S12,令热后再对仅有阶跃输入响应的跟随评价指标进行优化，得到优化 参数為，其中，所述阶跃输入响应的表达式为：
[0069]
[0070] Gfo(巧表示所述模范系统的滤波器；
[0071] 所述跟随评价指标的优化目标表达式为：
[0072]
[0073] f2(y"a))表示含(t)的某评价函数，
[0074] y"r(t)表示阶跃输入响应时域函数，
[007引 Clf表示当J。为最小时的a准，也称优化跟随参数；
[0076] 根据本