專利名稱：一種雙環加權控制方法
技術領域：
本發明屬于自動控制領域，特別涉及一種雙環加權控制方法，適用于被控對象含有大遲延、參數時變或不確定性的情況。
背景技術：
遲延，參數時變，不確定性在工業過程中常見且難以控制。通常，控制對象的不確定性包括不可預測的參數時變和不可預料的參數時變。對于這些過程，獲得其精確地模型是非常困難的。在這種情況下，一般的的控制器和控制結構很難達到預期的控制效果。同樣，基于不精確模型的設計的控制器和一般的控制結構在實際使用中往往起不到很好的控制效果。為解決這些問題，人們提出了很多控制方法。最常見的控制方法就是自適應控制， 該方法首先確定控制器的結構，通過不斷地遞歸估計被控對象的參數來更新控制器參數。 再就是遲延控制，該方法更關注的是其實用性而不是像自適應控制那樣關注怎樣校正控制的參數。除此之外，還有學習控制，延遲觀測器等方法。但是這些方法的理論相對復雜，所以在實際應用中就難以被工程人員理解和接受。最重要的是這些方法著眼于控制器的設計， 而不是控制結構的設計。當然也有一些著眼于改進控制方法的努力，針對遲延問題最常見的控制結構就是 Smith預估器。其對于穩定的含有大遲延的控制對象能夠有效的對死區進行補償。以此為基礎，有許多針對Smith預估器的改進，但是仍然沒有改變Smith預估器對模型精度的強依賴。

發明內容
本發明針對上述缺陷公開了一種雙環加權控制方法，它包括以下步驟1)將系統輸入r分別輸入至前置環和設定值模塊中；2)輸入至前置環的系統輸入r減去前置環輸出少，得到前置環中間值a ；3)將前置環中間值a輸入至虛擬控制器中，經虛擬控制器運算后得到前置環控制量b ；4)前置環控制量b驅動被控對象模型并得到前置環輸出少；5)前置環輸出少分為兩路，一路作為反饋重復步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權模塊，在第一反饋加權模塊進行運算后得到后置環第二輸入值d ；6)系統輸入r經設定值模塊運算后得到后置環第一輸入值C ；7)后置環第一輸入值c減去后置環第二輸入值d后，再減去后置環反饋值f，得到后置環中間值g;8)將后置環中間值g輸入至靜態匹配模塊中，經靜態匹配模塊運算后得到控制誤
差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經控制器運算后得到后置環控制量h;
10)后置環控制量h驅動被控對象并得到后置環輸出y ；11)將后置環輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權模塊中，經第二反饋加權模塊
運算得到后置環反饋值f，返回步驟7)。在第一反饋加權模塊中進行如下運算= d . L1為第一反饋加權模塊的加權系數。在設定值模塊中進行如下運算rXk = c, k為設定值模塊系數。在靜態匹配模塊中進行如下運算gX (1/k) = e, 1/k為靜態匹配模塊系數。在第二反饋加權模塊進行如下運算yXL2 = f，L2為第二反饋加權模塊的加權系數。所述第一反饋加權模塊的加權系數L1與第二反饋加權模塊的加權系數L2之和等于設定值模塊系數k。本發明的有益效果為本發明提供一種簡單、易于理解和便于應用的控制方法來達到較為理想的控制效果。同時，本發明對被控對象的精度要求不高，從而有效地降低了對系統進行辨識的代價。本發明著眼于控制結構的設計，不僅使得針對控制器進行設計方法能夠在該結構中繼續發揮作用，而且能使得如Smith預估器、內模控制等單環控制結構進一步提升其控制性能。


圖1理想控制結構示意圖；圖2典型控制結構示意圖；圖3雙環加權控制結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明如圖1所示，基于理想控制結構的控制方法包括以下步驟1)系統輸入r減去理想系統輸出J得到理想系統控制誤差F ；2)將理想系統控制誤差^輸入至控制器，經控制器運算得到理想控制量hi ；3)理想控制量hi驅動理想被控對象并得到理想系統輸出J ；4)返回步驟1)。如圖2所示，基于典型控制結構的控制方法包括以下步驟1)系統輸入r減去典型系統輸出夕得到典型系統控制誤差 ；2)將典型系統控制誤差 輸入至控制器，經控制器運算得到典型控制量h2 ；3)典型控制量h2驅動被控對象并得到典型系統輸出夕；4)返回步驟1)。對于實際的控制對象進行控制如圖2所示，此時的由于對被控對象認識不全面， 存在著未知部分△(遲延、時變或不確定性)，使得控制系統效果難以達到如圖1(完全消除Δ的影響時)所示的控制效果。也就是說圖2的控制結構就決定了其很難有效地消除或者減弱未知部分對控制的影響。以延遲為例，延遲對控制的影響主要由兩方面的影響，首先系統的控制作用經過一定的延遲后才能真正作用于被控對象或者作用于被控對象經過一定的延遲后其作用才顯現出來；其次，其反饋回來的被控量信息(典型系統輸出刃是滯后的信息，使得控制器只能基于當前的設定值(系統輸入r)和滯后的被控量信息(典型系統輸出iO相減得到的準誤差(典型系統控制誤差 )進行控制。要克服大遲延的問題，就是要使的準誤差盡可能的接近實際的誤差，越是如此越能克服延遲對控制品質的影響。同樣對于其它的參數時變，及不確定性可以進行類似的分析。據此，預估一個被控量和實際的反饋量加權作為沖量，然后與設定值做差得到一新的準誤差，從而實現對系統進行控制，從而減弱被控對象的未知部分Δ對控制的影響。圖2所示的結構難以消除△對控制的影響原因不在于其控制器，更在于其控制結構。在圖2中系統的輸出時受到被控對象中△的影響，然后又將典型系統控制誤差 作為控制器的輸入。這樣控制的問題就在于由于△的存在使得典型系統控制誤差 含有其未知部分的影響，這本來是好事，使其不利于達到圖1所示的效果。原因就是控制器的設計是基于為被控對象的已知特性設計的，但此時其輸入中含有太多的未知成分使其難以達到預期的控制效果。如圖3所示，一種雙環加權控制方法包括以下步驟1)將系統輸入r分別輸入至前置環和設定值模塊中；2)輸入至前置環的系統輸入r減去前置環輸出少，得到前置環中間值a ；3)將前置環中間值a輸入至虛擬控制器中，經虛擬控制器運算后得到前置環控制量b ；4)前置環控制量b驅動被控對象模型并得到前置環輸出少；5)前置環輸出少分為兩路，一路作為反饋重復步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權模塊，在第一反饋加權模塊進行運算后得到后置環第二輸入值d ；6)系統輸入r經設定值模塊運算后得到后置環第一輸入值c ；7)后置環第一輸入值c減去后置環第二輸入值d后，再減去后置環反饋值f，得到后置環中間值g;8)將后置環中間值g輸入至靜態匹配模塊中，經靜態匹配模塊運算后得到控制誤
差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經控制器運算后得到后置環控制量h ；10)后置環控制量h驅動被控對象并得到后置環輸出y ；11)將后置環輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權模塊中，經第二反饋加權模塊運算得到后置環反饋值f，返回步驟7)。在第一反饋加權模塊中進行如下運算^XL1 = d 為第一反饋加權模塊的加權系數。在設定值模塊中進行如下運算rXk = c, k為設定值模塊系數。在靜態匹配模塊中進行如下運算gX (1/k) = e, 1/k為靜態匹配模塊系數。在第二反饋加權模塊進行如下運算yXL2 = f，L2為第二反饋加權模塊的加權系數。本發明的主要特征是有兩個控制回路，第一個是前置環(如圖3中1所示的虛線框中部分)，它是由基于辨識的被控對象與虛擬控制器構成的回路，第二個回路是后置環(如圖3中2所示的虛線框中部分)，它是由控制器、被控對象、第二反饋加權模塊和靜態匹配模塊構成的閉環；兩個回路的輸出進行加權作為后置環的沖量；前置環中的被控對象模型不必要求很精確；如果設定值模塊k不為1，則后置回路中必須有靜態匹配模塊；為保證系統靜態平衡，必須保證第一反饋加權模塊的加權系數L1與第二反饋加權模塊的加權系數L2之和等于設定值模塊系數k。加權系數的選擇還要結合其抗擾性能和前置環與后置環性能的對比做出權衡。當單獨采用后置回路較單獨采用前置環控制效果好時，加權系數L2應大于Lp反之則取加權系數L2應小于Lp當然系數的選擇是一個綜合權衡的過程。本發明通過引入前置環，很好地利用了現有的被控對象模型，以該已知的模型為基礎設計前置環。就前置環而言，由于其被控對象模型完全已知，所以實現其理想的控制是容易的。也就是此時前置環輸出少是理想的，不受實際被控對象中Δ的影響。故在圖3中后置環的沖量為，其控制誤差為r_(A柃盡力/A，由于L^L2 = k，故此時的控制
誤差e為力。將此時的控制誤差e與圖2中的典型系統控制誤差 相比，易得e更接近于圖1中的F。同理可得，本發明中的y較圖2中的夕更接近于圖1中的歹。當然，通過仔細分析就會發現本發明中的前置環，實際就是圖1理想的控制結構。 據此，就可以直觀的理解為什么本發明中的y較圖2中的夕更接近于圖1中的y。但是兩者也是不同的，不同在于，圖1是假想的基于現有模型可達的理想控制效果，但是在實際中由于對象必然含有未知，也就是說實際控制結構只能是圖2那樣。換句話說，希望圖2的輸出夕能等于圖ι中的y。而在本發明的前置環中是要實現理想輸出來作為沖量的一部分，以抵消一部分建模未知部分對控制的影響。前置環的結構是靈活的，可以使用自動控制領域的一般單回路，內模結構，串級， 前饋加反饋等各種控制結構，甚至可以只要一個等效環節。同樣，前置環的實現方式是寬松，可以采用軟件或者組態的形式實現，也可以通過硬件實現。對于其中的控制器可以采用 PID，模糊控制器，自適應控制器等各種常見的或智能的控制器。前置環中的被控制對象是對實際被控對象的辨識，其最大的優勢就是不必特別的精確。總之，該部分的討論都是建立保證前置環的輸出少能夠盡可能的實現圖1中所示少的效果。同樣，對于后置環只要能夠有效地實施控制，可以使用自適應控制，延遲控制，學習控制等算法，也可以采用Smith預估器，內模控制等控制結構。也就是說只要有利于控制，在后置回路中可應用控制領域中的各種控制算法，各種控制器，各種控制結構，當然從另一方面講可以軟實現也可硬實現。本發明可以應用于自動控制領域各種控制系統中，尤其是對含有大遲延，參數時變，模型不確定性的對象。
權利要求
1.一種雙環加權控制方法，其特征在于，它包括以下步驟1)將系統輸入r分別輸入至前置環和設定值模塊中；2)輸入至前置環的系統輸入r減去前置環輸出少，得到前置環中間值a；3)將前置環中間值a輸入至虛擬控制器中，經虛擬控制器運算后得到前置環控制量b；4)前置環控制量b驅動被控對象模型并得到前置環輸出少；5)前置環輸出少分為兩路，一路作為反饋重復步驟2)的操作；另一路輸入至第一反饋加權模塊，在第一反饋加權模塊進行運算后得到后置環第二輸入值d ；6)系統輸入r經設定值模塊運算后得到后置環第一輸入值c；7)后置環第一輸入值c減去后置環第二輸入值d后，再減去后置環反饋值f，得到后置環中間值g ；8)將后置環中間值g輸入至靜態匹配模塊中，經靜態匹配模塊運算后得到控制誤差e ；9)將控制誤差e輸入至控制器中，經控制器運算后得到后置環控制量h；10)后置環控制量h驅動被控對象并得到后置環輸出y；11)將后置環輸出y作為反饋輸入至第二反饋加權模塊中，經第二反饋加權模塊運算得到后置環反饋值f，返回步驟7)。
2.根據權利要求1所述的一種雙環加權控制方法，其特征在于，在第一反饋加權模塊中進行如下運算^< Li = d ; L1為第一反饋加權模塊的加權系數。
3.根據權利要求1所述的一種雙環加權控制方法，其特征在于，在設定值模塊中進行如下運算rXk = c, k為設定值模塊系數。
4.根據權利要求1所述的一種雙環加權控制方法，其特征在于，在靜態匹配模塊中進行如下運算gX (1/k) = e, 1/k為靜態匹配模塊系數。
5.根據權利要求1所述的一種雙環加權控制方法，其特征在于，在第二反饋加權模塊進行如下運算yXL2 = f，L2為第二反饋加權模塊的加權系數。
6.根據權利要求1所述的一種雙環加權控制方法，其特征在于，所述第一反饋加權模塊的加權系數L1與第二反饋加權模塊的加權系數L2之和等于設定值模塊系數k。
全文摘要
本發明公開了屬于自動控制領域的一種雙環加權控制方法。本發明通過引入前置環，很好地利用了現有的被控對象模型，以該已知的模型為基礎設計前置環。本發明的有益效果為本發明提供一種簡單、易于理解和便于應用的控制方法來達到較為理想的控制效果。同時，本發明對被控對象的精度要求不高，從而有效地降低了對系統進行辨識的代價。本發明著眼于控制結構的設計，不僅使得針對控制器進行設計方法能夠在該結構中繼續發揮作用，而且能使得如Smith預估器、內模控制等單環控制結構進一步提升其控制性能。
文檔編號G05B13/04GK102566430SQ20121000742
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉吉臻, 孟慶偉, 房方 申請人:華北電力大學