大滞后系统控制方法.pdf

本发明公开了一种大滞后系统控制方法，根据偏差输出控制量，其中，所述方法包括如下步骤：(a)当e(k)·Δe(k)＞0时，u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)；(b)当e(k)·Δe(k)＜0时，u(k)＝u(k-1)；(c)当Δe(k)＝0时，如果|e(k)|＜emin，u(k)＝u(k-1)，否则，u(k)＝u(k-1)+ki·e(k)，emin为预设的期望偏差。本发明提供的大滞后系统控制方法，不但易于调节控制，而且能兼顾系统的快速性和稳定性。

权利要求书
1.  一种大滞后系统控制方法，根据偏差输出控制量，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(a)当e(k)·Δe(k)＞0时，u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)，kp为比例系数；
(b)当e(k)·Δe(k)＜0时，u(k)＝u(k-1)；
(c)当Δe(k)＝0时，如果|e(k)|＜emin，u(k)＝u(k-1)，否则，u(k)＝u(k-1)+ki·e(k)，emin为预设的期望偏差，ki为积分系数；
其中Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)为离散化的当前采样时刻的偏差值，e(k-1)为前一个采样时刻的偏差值，u(k)为当前控制器输出，u(k-1)为前一次控制器输出，k为自然数。

2.  根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，若|e(k)|＜emin，切换成PID控制。

3.  根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，切换前系统的控制周期为T1，切换后系统的控制周期为T2，T1＞T2。

4.  根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，若|e(k)|＞emax，切换成棒棒控制。

说明书大滞后系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种大滞后系统控制方法。
背景技术
PID控制算法具有原理简单、使用方便、适应性广和鲁棒性强等特点，因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具有强大的生命力。图1是现有闭环控制系统原理框图，请参见图1，PID控制器1接受偏差信号e(t)，输出控制信号u(t)给执行部件2，执行部件2驱动被控对象3，检测元件4检测被控对象3的输出c(t)并提供偏差e(t)给PID控制器1。
PID控制器1是比例、积分、微分控制的简称，通过调节比例参数Kp、积分参数Ki、微分参数Kd整定，图2是典型二阶系数单位阶跃响应偏差曲线，请参见图2，其中，比例调节的特点是简单、快速，但对带有滞后的系统，可能产生振荡，动态特性也差。比例系数Kp增大可以加快响应速度，减小系统稳态偏差，提高控制精度。但是Kp过大会产生较大超调，甚至导致系统不稳定；若Kp取得过小，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，使过渡过程时间延长。积分调节可消除系统的静态偏差，适用于有自平衡性的系统。加大积分系数Ki有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数Ki虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静态偏差不利。微分调节作用主要是针对被控对象的惯性改善动态特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定；同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态特性。Kd的值对响应过程影响非常大。若增加微分作用Kd，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制干扰能力减弱，若Kd过大会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若Kd过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。因此，对于时变且有不确定性的系统，Kd不应取定值，应适应被控对象时间常数而随机改变。
由上述分析可看出：严格意义上的PID参数整定是数学解，最优PID参数实际上也只是一种折衷，例如有的工况要求无超调，PID就无能为力；要求对对象建立严格的数学模型，这在很多情况下是难以实现的；PID参数一旦整定，再也没有调控手段对参数及控制过程性能进行干预；对不确定性的复杂对象因难于数学建模用PID控制策略难以进行有效控制。对于滞后较大，时间常数较大，干扰多而剧烈的控制系统，PID控制很难调节，控制效果差。因此，人们不断在简单的PID控制系统基础上，改用其他调节方式。常见的如串级调节，它的特点是两个调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的给定，适用于时间常数及沌滞后较大的对象，如加热炉、蒸馏塔、锅炉减温水的汽温控制；或者在简单的PID控制系统基础上增加PID前馈控制。此外，一些高级控制方法，如专家控制、自适应控制、模糊控制等也开始用于大滞后系统的控制。但由于大滞后系统各个过程变量内部存在相关过程，控制系统相互之间会出现干扰，上述控制方法调节复杂，且仍很难兼顾系统的快速性和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大滞后系统控制方法，不但易于调节控制，而且能兼顾系统的快速性和稳定性。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种大滞后系统控制方法，根据偏差输出控制量，其中，所述方法包括如下步骤：(a)当e(k)·Δe(k)＞0时，u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)；(b)当e(k)·Δe(k)＜0时，u(k)＝u(k-1)；(c)当Δe(k)＝0时，如果|e(k)|＜emin，u(k)＝u(k-1)，否则，u(k)＝u(k-1)+ki·e(k)，emin为预设的期望偏差；Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，e(k)为离散化的当前采样时刻的偏差值，e(k-1)为前一个采样时刻的偏差值，u(k)为当前控制器输出，u(k-1)为前一次控制器输出，k为自然数。
上述的控制方法，其中，若|e(k)|＜emin，切换成PID控制。
上述的控制方法，其中，切换前系统的控制周期为T1，切换后系统的控制周期为T2，T1＞T2。
上述的控制方法，其中，若|e(k)|＞emax，切换成棒棒控制。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的控制方法，根据偏差及其变化趋势输出控制量：当偏差增大时，采用比例控制增加控制量以便加快响应速度；当偏差减小时，保持控制量不变以便观察系统是否趋于稳定；当偏差保持不变且未达到控制期望值时，采用积分使系统的输出不断逼近期望值。本发明提供的控制方法易于调节控制，且能兼顾系统的快速性和稳定性。
附图说明
图1是现有闭环控制系统原理框图；
图2是典型二阶系数单位阶跃响应偏差曲线；
图3是本发明主流程框图。
图中：
1PID控制器        2执行部件        3被控对象
4检测元件
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种大滞后系统控制方法，根据偏差输出控制量，其中，所述方法包括如下步骤：(a)当偏差增大时，采用比例控制增加控制量；(b)当偏差减小时，保持控制量不变；(c)当偏差保持不变时，若偏差已经小于预设阀值，保持控制量不变，否则，采用积分增加控制量。
图3是本发明主流程框图。
请参见图3，本发明提供的控制方法，设e(k)表示离散化的当前采样时刻的偏差值，e(k-1)、e(k-2)分别表示前一个和前二个采样时刻的偏差值，u(k)为当前输出控制量，k为自然数，则有：
Δe(k)＝e(k)-e(k-1)
Δe(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)
本发明提供的控制方法，系统初始化后，周期性地读入采样值，计算e(k)、e(k-1)、e(k-2)和Δe(k)，根据偏差e(k)及其变化趋势Δe(k)输出控制量u(k)，使系统的输出不断逼近期望值，从而可以提高稳态精度。
下面详细说明本发明的控制方法对偏差及其变化趋势特征判断极其相应的控制方法。
(1)当e(k)·Δe(k)＞0时，说明偏差在朝绝对值增大的方向变化，如图2中的II、IV、VI、VIII……区域，此时：
u(k)＝u(k-1)+kp·Δe(k)
(2)当e(k)·Δe(k)＜0时，说明偏差在朝绝对值减小的方向变化，如图2中的I、III、V、VII……区域，此时：
u(k)＝u(k-1)+Δu(k)
(3)当|e(k)|＜emin，说明偏差已经落入控制范围内，保持输出控制量
u(k)＝u(k-1)
以上式中：
u(k-1)为第(k-1)次控制器输出；kp为比例系数；ki为积分系数；emax为预设的最大偏差；emin为预设的最小偏差，即期望的控制偏差。
上述按照偏差及其变化趋势的非线性控制算法，能较好克服常规PID的缺点。规则1体现了系统的快速性与稳定性，规则2、3条体现了系统的稳定性，因而兼顾了系统的快速性和稳定性。
上述的控制方法，若偏差e(k)小于预设的最小偏差emin，为了更好地保证系统稳定性，系统接近平衡时，可以切换成PID控制，具体输出如下：
u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；
Δu(k)＝Kp1[e(k)-e(k-1)]+Ki1·e(k)+Kd[e(k)-
2e(k-1)+e(k-2)]；
Kp1为比例系数，Ki1为积分系数，Kd为微分系数。
此外，上述的控制方法由于切换前采用滞后的等等看的控制策略，因此，此时系统采样周期和控制周期可以取得比较长，当系统切换到PID后，为了保证系统的稳定性，控制周期应该采用正常的控制周期，若切换前系统的控制周期为T1，切换后系统的控制周期为T2，T1＞T2。
当|e(k)|≥emax时，说明偏差的绝对值很大，此时不论偏差的变化趋势如何，都应考虑控制器按最大(或最小)输出，以迅速调整偏差，因此上述的控制方法，其中，若|e(k)|＞emax，切换成棒棒控制，具体输出如下：
u(k)＝Umax当e(k)＞0时
u(k)＝Umin当e(k)＜0时
Umax为控制器输出最大值；Umin为控制器输出最小值。
综上所述，本发明提供的控制方法，根据偏差e(k)及其变化趋势Δe(k)输出控制量u(k)，不但易于调节控制，而且能兼顾系统的快速性和稳定性。特别是和PID、棒棒控制相结合，可以进一步提高系统的快速性和稳定性，满足大滞后系统的控制要求。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。