专利名称：一种基于两步法的迟滞控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于两步法的迟滞控制方法，用于对工业过程中阀门迟滞导致的回路振荡进行补偿控制，属于先进过程控制技术领域。
背景技术：
阀门迟滞是造成工业系统振荡的重要原因，也是阀门控制中最普遍、最难被克服的问题之一。Honeywell公司通过历时2年的调查研究，对连续工业过程中26000个PID控制回路系统性能进行分析，得出如下结论只有1/3的控制回路系统性能良好，而其它控制回路系统性能都有待改善。研究指出，工业过程中控制系统性能改善I %或能源利用率提高I %，就会带来几千万甚至几亿美元的利润。现代工业过程中，一般企业即使检测出控制阀粘滞特性的存在，也不会因此而停 产维护，因为停产造成的损失更大。一般企业设备维护周期为半年到3年，在这期间控制阀粘滞特性的存在，不仅会增加企业的能耗而且会加速设备的磨损。因此设计不需要停产维护就能克服控制阀粘滞特性的控制器，对工业过程节能降耗有非常重要的意义。目前已提出几种阀门迟滞控制的补偿方法，但有些只停留在理论研究，不能运用到复杂的工业现场；有些虽能够应用在实际的工业生产中，却存在一些弊端 Hagglund于2002年提出一种迟滞控制方法，即将Knocker信号加入到控制信号中去，对调节阀进行迟滞补偿。此方法存在一些缺陷=Knocker信号是一系列的脉冲信号，其三个参数的大小会影响补偿作用的好坏knocker补偿控制参数多，整定困难，属于静态补偿，即一旦参数设定，运行中便不能改变，并且输出波动的减弱是以阀门频繁动作为代价的，这是工程上所不期望的。
Srinivasan等人于2007年提出一种“两步法”粘滞特性补偿器。该方法的整个分析过程是在单参数模型的基础上展开的，其补偿器需要准确的模型迟滞参数d，且只能在没有任何外界干扰的理想情况下运行，这在实际工业生产过程中几乎做不到。此外，该补偿器的阀门位置不可测。此方法纯属于理论研究。上述阀门迟滞控制方法都存在各自的局限性，其补偿效果并不令人满意。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需停产就能消除工业回路中的振荡、抗干扰性强、满足工业应用高质量和低能耗要求的阀门迟滞补偿控制方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于两步法的迟滞控制方法，该方法分为以下3个步骤步骤I :在MATLAB的SMULINK中，建立阀门迟滞模型和工业过程模型；步骤2 :在0PT022中，建立基于预测PI算法的主控制器和基于两步法的补偿控制器，其控制算法如下
预测PI 算法的输入输出关系为 MO = K(l + \)e{t)-^-[u(t)-u(t-L)]
Ph PTt其中P为微分算子，e (t)、u (t)分别为控制器的输入和输出，K为过程增益的倒数，Ti为控制过程主导时间常数，L为控制过程滞后时间；定义系统误差Error = SP-PV，其中SP为系统输入，PV为系统输出；Stiction为一个小于系统输入SP的设定值，当Error大于或者等于Stiction时,采用主控制器,否则采用补偿控制器；结合图4，补偿控制器的算法如下定义Count为计数器、Period为控制周期、Flag为标志位，OP为主控制器输出，设定Count、Period 和 Flag 的初始值，Flag = 0, Count 从 0 开始计数；当Count = PeriocUFlag = 0 且 Error ^ 0 时，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；当Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 时，OP = OP-Stiction, Flag = I ；当Count > Period 且 Flag = I 时，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步骤3 :连接MATLAB和0PT022进行通讯，使主控制器与阀门迟滞模型、工业过程模型依次连接构成闭环负反馈控制模型，补偿控制器并联在主控制器两端且作为阀门迟滞模型的前馈控制器输出到主控制器之后，系统输出PV为工业过程输出。本发明提供的一种基于两步法的迟滞控制方法，当外界有干扰时，控制回路能够在两步之后回归稳态，保持良好的运行效果；该方法所需控制参数少，且控制参数物理意义明确，便于参数整定。本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过采用先进的控制算法来补偿回路中的阀门迟滞，无需停产就能有效消除工业控制回路中由阀门迟滞引起的振荡，抗干扰性强，实现形式简单，控制效果好，可用于实际工业过程。
图I本发明提供的一种基于两步法的迟滞控制方法控制回路框图；图2是阀门迟滞模型无迟滞时的阀门输出(MV)和系统输出(PV)对比图；图3是阀门迟滞模型存在迟滞时的阀门输出(MV)和控制器输出(OP)对比图；图4为本实施例中基于两步法的补偿控制器的算法流程图；图5为本实施例中没有干扰时系统稳态输出波形；图6为本实施例中加干扰后未采用补偿控制器时系统输出波形；图7为本实施例中加干扰后采用补偿控制器时系统稳态输出波形；
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。0PT022成立于1974年，主要涉及工业自动化、远程监控及企业数据采集领域的硬件和软件产品的开发和制造。通过采用标准和商用互联网、组网和计算机技术，0PT022的输入/输出和控制系统允许客户对所有机械、电气和电子资产进行数据监视、控制和采集。本发明开发了基于0PT022PAC Project Professional的实时监测控制软件。PAC Project Professional 包括以下几部分组成PAC Control、PAC Display、0PT0 OPCServer>PAC Manager等。算法采用PAC Control脚本语言进行编程,用户监控界面采用PACDisplay进行界面开发。图I所示为本发明提供的一种基于两步法的迟滞控制方法控制回路框图，该方法分为以下3个步骤步骤I :在MATLAB的SMULINK中，建立阀门迟滞模型和工业过程模型；步骤2 :在0PT022中，建立基于预测PI算法的主控制器和基于两步法的补偿控制器，其控制算法如下预测PI算法的输入输出关系为:—)=K(l+[ (0 — u^t — L)]其中p为微分算子，e(t)、u(t)分别为控制器的输入和输出，K为过程增益的倒数， Ti为控制过程主导时间常数，L为控制过程滞后时间；定义系统误差Error = SP-PV，其中SP为系统输入，PV为系统输出；结合图2，Stiction为一个小于系统输入SP的设定值，当Error大于或者等于Stiction时,采用主控制器，否则采用补偿控制器；结合图4，补偿控制器的算法如下定义Count为计数器、Period为控制周期、Flag为标志位,OP为主控制器输出，设定Count、Period和Flag的初始值，Flag = 0, Count从0开始计数；当Count = Period、Flag = 0 且 Error ^ 0 时，OP = 0P+Stiction, Flag = I ；当Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 时，OP = OP-Stiction, Flag = I ；当Count > Period 且 Flag = I 时，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ；步骤3 :连接MATLAB和0PT022进行通讯，使主控制器与阀门迟滞模型、工业过程模型依次连接构成闭环负反馈控制模型，补偿控制器并联在主控制器两端且作为阀门迟滞模型的前馈控制器输出到主控制器之后，系统输出PV为工业过程输出。以上控制系统中补偿控制器实际上实现了以下两步功能第一步，使调节阀克服阀门迟滞移动到合适的开度位置；第二步，移动阀门到稳定状态下其应该处于的位置，并使阀门一直保持在该稳定位置。给系统一个激励信号SP作为系统输入，SP经主控制器和补偿控制器传输到阀门迟滞模型，输出信号MV，信号MV经补偿控制器向阀门迟滞模型发出前馈信号，阀门迟滞模型在接受主控制器指令进行动作的同时，又及时地受到前馈信号的调控，因此动作可以更加准确。阀门迟滞模型输出信号再经过工业过程输出，工业过程输出信号PV负反馈到系统输入端，使控制系统的误差逐步减小，系统趋于稳定。建立上述控制系统的仿真模型，当阀门迟滞模型无迟滞时，阀门迟滞模型输出MV和系统输出PV如图2所示，MV和PV趋于一致；当阀门迟滞模型有迟滞时，阀门迟滞模型输出MV和主控制器输出OP如图3所示，MV振幅明显小于0P，证明补偿控制器起到了很好的补偿效果；图5为没有干扰时系统稳态输出波形,在系统输出PV上加一个阶跃信号作为干扰，加干扰后未米用补偿控制器时，系统输出波形如图6所不,系统输出偏离目标输出较大；加入补偿控制器后，系统稳态输出波形如图7所示，系统输出基本在目标输出附近波动，与图5中没有干扰时系统稳态输出波形相似，证明本发明提出的一种基于两步法的迟滞控制方法具有很 好的控制效果。
权利要求
1.ー种基于两步法的迟滞控制方法，其特征在于该方法分为以下3个步骤 步骤I :在MATLAB的SMULINK中，建立阀门迟滞模型和エ业过程模型； 步骤2 :在0PT022中，建立基于预测PI算法的主控制器和基于两步法的补偿控制器，其控制算法如下 预测PI算法的输入输出关系为u(t) = K(l + —)e(t)-一-[u(t)-u(t-L)} P1i Ph 其中P为微分算子，e(t)、u(t)分别为控制器的输入和输出，K为过程増益的倒数，Ti为控制过程主导时间常数，L为控制过程滞后时间； 定义系统误差Error = SP-PV，其中SP为系统输入，PV为系统输出；Stiction为ー个小于系统输入SP的设定值，当Error大于或者等于Stiction时,采用主控制器,否则采用补偿控制器；补偿控制器的算法如下 定义Count为计数器、Period为控制周期、Flag为标志位，OP为主控制器输出，设定Count、Period 和 Flag 的初始值，Flag = O, Count 从 O 开始计数；当 Count = Period、Flag = O 且 Error > O 时，OP = OP+Stiction, Flag = I ；当 Count = Period、Flag = 0 且 Error < 0 时，OP = OP-Stiction, Flag = I ；当 Count > Period 且 Flag = I 时，OP = OP+Error/Tj, Flag = 0, Count = 0 ； 步骤3 :连接MATLAB和0PT022进行通讯，使主控制器与阀门迟滞模型、エ业过程模型依次连接构成闭环负反馈控制模型，补偿控制器并联在主控制器两端且作为阀门迟滞模型的前馈控制器输出到主控制器之后，系统输出PV为エ业过程输出。
全文摘要
本发明提供了一种基于两步法的迟滞控制方法，其特征在于该方法在MATLAB的SIMULINK中建立阀门迟滞模型和工业过程模型，在OPTO22中建立基于预测PI算法的主控制器和基于两步法的补偿控制器，再连接MATLAB和OPTO22进行通讯，构成一个以补偿控制器为前馈控制器的前馈-反馈控制模型。本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过采用先进的控制算法来补偿回路中的阀门迟滞，无需停产就能有效消除工业控制回路中由阀门迟滞引起的振荡，抗干扰性强，实现形式简单，控制效果好，可用于实际工业过程。
文档编号F16K31/00GK102705561SQ20121016562
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者任正云, 吕骏, 张欣, 陶巍 申请人:东华大学