[发明专利]一种比例微分超前智能模型集PID控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种比例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。该方法对生产过程回路对象建立多时段、多工况模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工况对象精准模型。在回路模型集基础上，提出了一种控制器设计方法，该方法可在不改变原有PID控制器结构的基础上直接实施。该方法在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，解决了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。

技术领域

本发明属于流程工业生产技术领域，涉及一种比例微分超前智能模型集PID控制器设计方法，该方法可以应用于流程工业生产装置控制回路多工况全局优化的控制器设计。

背景技术

在当前流程工业大规模快速发展的时代，一套生产装置通常包含少则上百，多则上千的过程控制回路，且装置运行工况随着原料改变、加工需求调整或环境因素变化而变化，对于靠经验整定的单一控制器参数难以适应多工况变化的控制性能，在工况变化时，操作人员往往采用手动控制方式控制目标参数，待生产过程操作工况处于新的稳态时，原有的控制器参数难以达到有效控制，须经由工程师对相关回路控制器进行重新整定才能稳定投用，但随着控制回路的增加及工况变化，装置自动化水平和运行平稳性受到了严重影响。

发明内容

针背景技术描述的问题，本发明提出一种比例微分超前智能模型集PID控制方法。该方法融合了先进的计算机技术、控制技术及工艺生产技术，充分利用工业大数据挖掘方法，采用先进的建模技术，对生产过程回路对象建立多时段、多工况模型，并形成有效模型集，模型集包含了回路多工况对象精准模型。在回路模型集基础上，提出了一种控制器设计方法，该方法可在不改变原有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，解决了常规控制器设计方法难以适应工况变化的缺陷，实现控制回路长期稳定运行。

本发明采用的技术方案为一种比例微分超前智能模型集PID控制器设计方法，在石油化工生产过程中，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，特别是生产过程中上下游关联较强的流量参数。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，因此，引入了比例微分超前PID(I-PD)控制，如图1所示，即比例、微分对测量值起作用，仅积分对偏差起作用，避免设定值变化造成的输出参数大幅波动。

图1中，R(s)为回路设定值；Y(s)为被控变量输出值；为控制器的积分作用部分传递函数；T_I为积分时间常数；为比例微分部分传递函数，K为比例系数；T_D为微分参数；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。

为实现图1所示控制回路得到有效控制，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如图2所示，相当于闭环控制回路等价于一阶惯性环节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。

图2中，G′_P(s)为名义过程控制对象传递函数，由图1可得：

另外，为提升控制器的鲁棒性，在控制回路中加入鲁棒提升环节如图3所示。

图3中，λ为鲁棒提升系数，在控制器参数设计阶段求得，该鲁棒提升系数的适当取值有利于提升回路的鲁棒性能及平稳过渡动态性能；对图3进行等价变换，变换后结构图如图4所示。

图4中，G_C(s)为所需设计的控制器，控制器的传递函数如下：