[发明专利]一种微分超前智能模型集PID控制器设计方法

摘要

本发明公开了一种微分超前智能模型集PID控制器设计方法，属于流程工业生产技术领域。该方法在微分超前控制器设计方法的基础上，综合生产控制回路过程对象多时段、多工况的有效模型集，智能选取出适应多种工况的全局优化控制器，解决常规控制器设计方法难以适应工况变化的缺陷，实现控制回路能够长期稳定运行，设计全局优化控制器回路结构。在回路模型集基础上，在不改变原有PID控制器结构的基础上直接实施。将该控制器设计方法与回路对象多工况模型集结合，设计出适应多种工况的全局优化控制器，解决常规控制器设计方法难以适应工况变化的缺陷，实现在该控制器控制下的回路能够长期稳定运行。

主权项

一种微分超前智能模型集PID控制器设计方法，在炼油化工生产过程中，被控变量往往要求平缓的变化，即使在工艺需要改变生产计划时，也需要各被控变量平缓地过渡到新的稳态；为防止设定值改变或输入有高频干扰信号时造成输出波动幅度大，严重时可造成事故的风险，引入了微分超前PID控制，即微分只对测量值起作用，比例和积分对偏差起作用，如此避免设定值变化造成的输出参数大幅波动；R(s)为回路设定值；Y(s)为被控变量输出值；为控制器的比例和积分作用部分传递函数，K为比例系数，T_I为积分时间常数；为微分部分传递函数，T_D为微分时间常数，α为微分放大系数，取值为0.05～0.1；G_P(s)为过程对象传递函数；s为拉普拉斯算子；其特征在于：控制器设计目标为使得控制回路前向通道等价于积分环节也就相当于闭环控制回路等价于一阶惯性环节如此避免设定值变化造成的输出参数大幅波动，达到更有利于生产装置整体平稳运行的目的；G′_P(s)此处称为名义过程控制对象传递函数，$G_P^{\′}\left(s\right)=\frac{G_P\left(s\right)}{1+G_P\left(s\right)G_D\left(s\right)}---\left(1\right)$为了使本方法所设计控制器具有较强的鲁棒性，在控制回路中加入鲁棒提升环节λ为鲁棒提升系数，在控制器参数设计阶段计算求得，该鲁棒提升系数的适当取值有利于提升回路的鲁棒性能和平稳过渡动态性能；进行等价变换得到控制回路结构；G_C(s)为所需设计的控制器，其传递函数如下：$G_C\left(s\right)=\frac{T_{I}s}{\mathrm{\λ}s+1}\×G_{PI}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{KT}}_{I}s+1}{\mathrm{\λ}s+1}---\left(2\right)$增加鲁棒提升环节后，最终控制器参数设计目标为确定控制器参数K、T_I、T_D，使得控制回路中G_C(s)和G′_P(s)环节的输入输出响应等价于一阶惯性环节在设定值R(s)改变后，被控变量实现比较理想的平稳过度过程；控制器参数及鲁棒提升系数计算采用随机搜索优化方法。