一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法
【专利摘要】本发明公开了一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，通过采用基于过度参数化的扩展z变换分子的算法和带遗忘因子的递推最小二乘算法辨识室温被控对象的过程参数和延迟参数，计算得到室温控制对象的放大系数、时间常数和纯延迟时间；然后基于抗扰性能指标设计比例积分控制器，确定比例积分控制器参数，对室温控制对象进行比例积分控制。本发明结合了自校正控制与常规比例积分/比例积分微分控制器两者的优点，具有自动闭环辨识被控对象参数、自动整定控制器参数和适应被控对象参数时变等一系列优点；又具有常规比例积分/比例积分微分控制器结构简单、抗扰性好、可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点。
【专利说明】一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，属于室温控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在控制理论和技术飞跃发展的今天，比例积分/比例积分微分控制由于其简单，稳定性能好、可靠性高等优点，仍有强大的生命力。目前比例积分/比例积分微分控制，尤其是比例积分控制被广泛应用于室温控制控制领域中。在比例积分/比例积分微分控制中，一个关键的问题就是比例积分/比例积分微分参数的整定。传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，然后根据某一整定原则来确定比例积分/比例积分微分参数。然而在实际的室温控制对象控制过程中，由于其具有非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负荷扰动等因素的影响下，这就要求在比例积分/比例积分微分控制中，不仅比例积分/比例积分微分参数的整定不完全依赖于对象的数学模型，而且比例积分微分参数能够在线调整，以满足室温控制对象实时控制的要求。自校正比例积分/比例积分微分控制是解决这一问题的有效途径。
【发明内容】
[0003]本发明将自校正控制思想与常规比例积分/比例积分微分控制器相结合，提供一种室温控制对象的自校正抗扰比例积分控制算法。
[0004]本发明所采用的技术方案为:
[0005]一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，包括以下步骤:
[0006]I)建立室温控制对象的数学模型；
[0007]2)采采用基于过度参数化的扩展z变换分子的算法和带遗忘因子的递推最小二乘算法辨识室温被控对象的过程参数和延迟参数，并通过计算机实现在线辨识计算；
[0008]3)根据所述步骤2)在线辨识计算得到室温控制对象的放大系数Ks、时间常数Ts和纯延迟时间τ ；
[0009]4)基于抗扰性能指标设计比例积分控制器，确定比例积分控制器参数；
[0010]5)根据所述步骤3)计算的室温控制对象数学模型中的参数，计算得出所述步骤4)的比例积分控制器的比例系数和积分系数，对室温控制对象进行比例积分控制。
[0011]前述的步骤I)建立室温控制对象的数学模型的具体过程为:
[0012]1-1)室温控制对象的数学模型G(S)的表达式为:
[0013]
【权利要求】
1.一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，包括以下步骤: 1)建立室温控制对象的数学模型； 2)采用基于过度参数化的扩展z变换分子的算法和带遗忘因子的递推最小二乘算法辨识室温被控对象的过程参数和延迟参数，并通过计算机实现在线辨识计算； 3)根据所述步骤2)在线辨识计算得到室温控制对象的放大系数Ks、时间常数Ts和纯延迟时间τ ； 4)基于抗扰性能指标设计比例积分控制器，确定比例积分控制器参数； 5)根据所述步骤3)计算的室温控制对象数学模型中的参数，计算得出所述步骤4)的比例积分控制器的比例系数和积分系数，对室温控制对象进行比例积分控制。
2.根据权利要求1所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述步骤I)建立室温控制对象的数学模型的具体过程为: 1-1)室温控制对象的数学模型G(S)的表达式为:
其中，s为拉普拉斯算子，Ks为放大系数，Ts为时间常数，τ为纯延迟时间； 1-2)对室温控制对象的数学模型的传递函数Gh(S)进行离散化，得到:
其中，T为采样周期； 1-3)对室温控制对象的数学模型G(S)进行z变换，得到离散化数学模型G(P)为:
a, b均为待辨识室温控制对象数学模型的过程参数，d为待辨识的延迟参数。
3.根据权利要求1所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于， 所述步骤2)的在线辨识方法，包括以下步骤: 2-1)将式⑶中Bk1).z_d展开为多项式的形式Bjz—1):
Bm (z-1) = b1z^l+b2z2+...+bmz_m (10) 其中，m-1为室温控制对象的最长延迟，则待辨识的室温控制对象数学模型G(z—1)转换为GA1)的形式:
定义待辨识的参数向量&为?
2-2) 向量值被估算出来后，$中的3即为要辨识的室温控制对象的过程参数a ； 2-3)对Β(ζ_0.Z^d Bm(z^1)进行频率特性分析，令频率ω = O时，取1>-" U一与的零阶和一阶导数相等，即
2-4)通过式(12)和式(13)获得参数过程参数b，延迟参数山和Gm(P)中待辨识的参数之间的关系如下:
2的值即为要辨识的过程参数b丨的值即为要辨识的延迟参数d ； 2-5)将式(11)所述的G m(P)的模型写成最小二乘的形式: y (k) = hT(k) Θ +e(k) (17) 其中，e(k)为实际输出与期望输出之间的误差，y(k)表示在k时刻室温控制对象的输出，u(k)表示k时刻室温控制对象的输入，h(k)和Θ表不如下:
2-6)定义函数J(0)为:
其中，A(k)为遗忘因子； 2-7)得到带遗忘因子的递推最小二乘算法的规范化公式为:
其中，K(k)为增益矩阵，P(k)是一个方阵。
4.根据权利要求1所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述步骤2)中，通过计算机实现在线辨识的过程如下: 2-a)给定初始条件: O(O) 其中，ε为充分小的实向量， P(O) = a2I，其中，a为充分大的数，I为单位向量； 2-b)根据式(18)构造h(k)，其中，空调系统的输入y(k)和输出u(k)可由测量获得； 2-c)每获得一组新的数据7 00、1!(10，根据式(44)构造K(k)和P(k)；2-d)根据式(44)估算出新的参数向量ak和blk, b2k...，bmk ; 2-e)根据式(13)、(14)和(15)估算出新的bk和dk ；
2-f)对 dk 进行取整:dk+1 = INT (dk+0.5) INT (x)表示求不大于X的最大整数； 2-g)令k = k+Ι，返回步骤2-b)继续进行迭代计算，直至达到最大迭代次数。
5.根据权利要求1所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述步骤3)中， 根据式d = τ /T求得纯延迟时间τ ； 根据式求得时间常数Ts ； 根据式b = Ks(l-a)求得放大系数Ks。
6.根据权利要求1所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述步骤4)基于抗扰性能指标设计比例积分控制器，包括以下步骤: 4-1)将室温控制对象的数学模型G (s)转化为如下形式:
Ks Ks 比例积分控制器的传递函数G。(s)存在如下形式:
Kp为比例积分控制器的比例系数，K1为比例积分控制器的积分系数； 4-2)令aa = Aa和bb = Bb，则比例积分控制器的零点和室温控制对象的极点对消，此时室温控制对象控制回路的开环传递函数Gtj(S)为:
4-3)根据式(51)，室温控制对象控制回路的开环传递函数的频率特性GJjco)存在如下形式:
4_4)定乂抗扰性能指标λ为:
4-5)由式(52)，可知:
根据
的函数特性，可得
综合式(53)，得到
4-6)根据式(48)，式(50)和式(55)，得到比例积分控制器参数为:
7.根据权利要求6所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述抗扰性能指标λ的取值大于0.6366。
8.根据权利要求7所述的一种室温控制对象的自抗扰比例积分控制算法，其特征在于，所述抗扰性能指标λ的取值为1.9。
【文档编号】G05B13/04GK104133371SQ201410326230
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】白建波, 李洋, 王孟 申请人:河海大学常州校区