[发明专利]一种组合积分控制器

说明书

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，特别涉及在过程控制领域中常用的一阶系统、二阶系统、高阶系统、积分系统等线性系统的一种新型组合积分控制器。

背景技术

工业过程中常常遇到积分过程，同时一些时间常数比较大的一阶过程也会被看成积分系统。积分系统的控制问题已经得到广泛的研究，并且很多先进的控制算法被提出来。这类过程的系统性能和稳定性易受时滞不确定性的影响，对控制算法的鲁棒性能要求比较高。很多算法在实际工业过程中，难以得到满意的控制效果。近年来，许多学者对实际应用的研究做了大量的工作，固然也取得了丰富的成果。

尽管大量新的控制理论不断涌现，但常规的PID以及改进的PID控制器仍然广泛应用在工业控制领域。一些新理论专用性强、适应性差、鲁棒性能差、算法复杂、实施和维护成本高，这些都限制了它们的推广和发展。因此，如何使控制器结构简单、实施容易、鲁棒性能好、通用性强，是控制领域的技术人员一直追寻的目标。

在过程控制领域，经常提及的就是一阶系统、二阶系统、高阶系统、积分系统等线性系统，大部分控制器也是根据这些系统而设计的。然而，有许多工业过程可表示为多个不同时滞积分过程的组合，但很少有学者关注此类过程。如蒸馏塔的底层过程传递函数为多时滞积分过程，Morari提出了基于内模原理的控制策略，并通过仿真验证了其控制性能。

另外有一类含有多个积分项叠加而成称之为组合积分过程的对象。这类过程在钢铁、石化、谷物加工、烟草等工业中广泛存在。组合积分过程在本质上是开环稳定的，并可通过将时滞项用一阶Pade近似而将其近似为一阶对象。目前大多数组合积分对象被视作一阶时滞对象采用通常的控制策略，如：PID控制算法，Smith预估算法或内模控制算法。这些控制器在某种程度上满足了工业生产的需要，这也是此类过程不被重视的原因。但随着现代工业的快速发展，产品质量、能源消耗和环境保护问题对控制精度提出了更高的要求。传统的控制已逐渐不适用于组合积分对象的控制，因此需要新的控制策略和方法来指导控制系统的设计、调节和运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对过程工业的一阶系统、二阶系统、高阶系统、积分系统等线性系统的组合积分对象，如何进行高精度的控制，使整个系统达到工业生产要求。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种组合积分控制器，其特征在于：在组合积分系统中，组合积分环节的传递函数由两个或多个积分时滞对象构成，表示为：

其中，G_i(s)是一不包含积分环节的稳定多项式；是包含在组合积分系统中的稳定系统；k_i为对象增益，τ_1i、τ_2i为时间延迟常数，满足等式：τ_2i＝τ_2(i-1)+τ_1(i-1)；1＜i＜刀，n为正整数；

针对上述组合积分系统，用以下组合积分控制器进行控制：

其中，E(s)表示控制器的输入，U(s)表示控制器的输出，k表示对象增益，τ₁、τ₂表示时间延迟常数。

优选地，所述组合积分控制器当前时刻的输出仅有组合积分控制器以前一段时间内输出的平均值以及当前时刻的输入决定，故具有抗滞后功能，从而能够克服组合积分系统的滞后性。

在原理上，组合积分控制器和传统控制器有着本质不同，根据控制器过去一段时间的平均值进行控制的方法，为控制系统设计提供了一种新的思路。同时组合积分控制器能够适应不同的过程对象，对研究一类通用控制器具有借鉴意义。

本发明基于内模控制和模型预测控制的基本原理，提出了一类具有结构简单、动态性能好、实用性强的新型组合积分控制器。该控制器自身是一个正反馈控制器，控制器的当前输出仅由当前输入和控制器以前输出的平均值决定，克服传统控制器对组合积分系统的控制缺陷。该控制器具有良好的响应速度、抗干扰能力以及鲁棒性。更重要的是，在该控制器作用下，被控对象无稳态余差，具有无差控制的特点。而且该控制器对非组合积分系统也具有良好的控制效果。

附图说明

图1为原始控制器结构；

图2为改进的控制器结构；

图3为抗滞后控制器结构；

图4为本发明组合积分控制器原理示意图；

图5为实施例中，无模型失配时控制系统的阶跃响应和抗干扰响应示意图；

图6为实施例中，有模型失配时控制系统的阶跃响应和抗干扰响应示意图；