一种非自衡对象的控制方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种非自衡对象的控制方法和装置，非自衡对象包括操作变量和被控变量，所述方法包括：建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明不会导致稳态与动态的控制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。
【专利说明】-种非自衡对象的控制方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明设及工业流程控制领域，具体设及一种非自衡对象的控制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 在工业流程控制领域中，对过程物质或能量具有累积作用的系统被称为非自衡对 象。由于非自衡对象是一个临界稳定对象，也就是说仅当输入与输出该非自衡对象的物料 平衡时，系统才能稳定。所W，对非自衡对象控制的好坏直接关系到工业上的过程安全，因 此关于非自衡对象的控制问题一直是研究的热点。
[0003] 目前，主流的非自衡对象的控制方法主要采用两层结构（稳态和动态）控制的解 决方案。由于非自衡对象的临界稳定特性，主流的处理方法是通过稳态优化平衡与之相关 的输入和输出，将非自衡对象的输出变化率调节至0,采用非自衡对象的斜率约束方法进行 处理；动态控制时，通过极小化非自衡对象与其设定点的偏差计算控制作用，达到被控变量 的调节。
[0004] 但是，上述主流的处理方式中的稳态优化的目的是保证非自衡对象变化率趋近与 零，保持非自衡对象的输入输出之间的平衡。相反，动态控制的目的是满足被控变量的设定 值控制的调节要求，需要打破该种平衡。所W，该种处理方式就导致了稳态与动态目的的不 一致性，从而在非自衡对象的控制过程中会产生追求平衡与打破平衡的矛盾状态。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种非自衡对象的控制方法和装置。
[0006] 本发明提供了一种非自衡对象的控制方法，非自衡对象包括操作变量和被控变 量，所述方法包括：
[0007] 建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵；
[000引根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系；
[0009] 根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，W保证在所述操作变量的变化量最 小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。
[0010] 优选地，所述方法还包括：
[0011] 设置所述被控变量的安全约束范围；
[0012] 实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约 束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约 束范围。
[0013] 优选地，所述非自衡对象还包括干扰变量，其中，所述根据所述稳态增益矩阵，确 定所述操作变量与所述被控变量的速率关系，具体为：
[0014] 根据所述稳态增益矩阵和所述干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速 率关系。
[0015] 优选地，所述方法还包括：
[0016] 根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态 控制参考轨迹；
[0017] 在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹；
[0018] 将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作 变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。
[0019] 本发明还提供了一种非自衡对象的控制装置，所述装置包括：
[0020] 建立模块，用于建立非自衡对象的稳态增益矩阵，所述非自衡对象包括操作变量 和被控变量；
[0021] 第一确定模块，用于根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量 的速率关系；
[0022] 调节模块，用于根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，W保证在所述操作变 量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或 目标值。
[0023] 优选地，所述装置还包括：
[0024] 设置模块，用于设置所述被控变量的安全约束范围；
[0025] 追踪模块，用于实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值 不在所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量 达到所述安全约束范围。
[0026] 优选地，所述第一确定模块，具体用于：
[0027] 根据所述稳态增益矩阵和所述非自衡对象包括的干扰变量，确定所述操作变量与 所述被控变量的速率关系。
[0028] 优选地，所述装置还包括：
[0029] 第二确定模块，用于根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所 述非自衡对象的动态控制参考轨迹；
[0030] 获取模块，用于在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量 轨迹；
[0031] 调整模块，用于将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实 时调整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。
[0032] 本发明首先建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵，其次，根据所述稳态增益矩阵， 确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。最后，根据所述速率关系，实时调节所述操 作变量，W保证在所述操作变量的变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被 控变量达到预设的目标范围或目标值。与现有技术相比，本发明不会导致稳态与动态的控 制矛盾，而是从非自衡对象的临界稳定特性出发，高效完成非自衡对象的控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可W根据该些附图获得其 他的附图。
[0034] 图1为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制方法流程图；
[0035] 图2为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本申请保护的范围。
[0037] 参考图1，为本发明实施例提供的一种非自衡对象的控制方法流程图，所述方法包 括：
[003引 S101 ;建立非自衡对象的稳态增益矩阵。其中，所述非自衡对象包括操作变量和被 控变量。
[0039] 本实施例中，非自衡对象包括操作变量和被控变量。其中，操作变量可W包括输入 变量和输出变量。首先建立非自衡对象的阶跃响应的速率模型，能够表示该非自衡对象的 输入输出的变化速率。如下at表示非自衡对象的阶跃响应的速率模型：
[0040] a'二[本夺，寺，...苗];
[0041] 其中，a;为阶跃响应系数，N为模型长度。
[0042] 其次，获取所述非自衡对象的阶跃响应的速率模型后，再次获取所述速率模型的 稳态增益％，进而构造出由稳态增益组成的稳态增益矩阵G。
[0043] S102;根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。
[0044] 本实施例中，由于所述稳态增益矩阵是由所述非自衡对象的稳态增益组成，所W， 可W根据所述稳态增益建立如下所述非自衡对象的操作变量与被控变量之间的速率关系。
[0045] Ay^= G" Au,
[0046] 其中，下标s表示稳态，Ay,为所述非自衡变量的被控变量的稳态斜率变化量， A 为所述非自衡变量的操作变量的稳态变化量，定义为操作变量当前值U化）与期望稳态 值u(k+l)之差。
[0047] Aus= Us(k+1)-Us(k)
[0048] 实际应用中，处于不平衡状态的非自衡对象还可W包括干扰变量，如水槽中可能 会有雨水进入等。为了控制所述非自衡对象，本实施例具体根据所述稳态增益矩阵和所述 干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系。如下：
[0049] Ay^= G"Au,+F"Ad,；
[0050] 其中A屯为非自衡对象干扰变量变化量，Ft为干扰变量与被控变量的速率增益关 系。由于未来干扰的不可知，A屯定义为上一时刻检测得到的干扰d(k-l)与当前时刻干扰 cKk)之差。
[0051] A 屯=d s(k)-屯化-1);
[0052] 根据操作变量与扰动变量历史增量序列，利用其对被控变量的阶跃响应速率模型 at,通过卷积计算被控变量的初速变化速率r。被控变量的期望变化速率为
[0053] dys = G r A 11曰甘。
[0054] S103 ;根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，W保证在所述操作变量的变化 量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。
[0055] 本实施例中，可W根据用户的需求，预先设置所述非自衡对象的控制时间，即第一 控制时间，W保证所述非自衡对象在所述第一控制时间后可W维持在平衡的状态。另外，可 W根据用户的需求，预先设置所述非自衡对象的被控变量的目标范围或者目标值。也就是 说，控制所述非自衡对象的目的是使所述被控变量达到预设的目标范围或者目标值，并维 持在平衡的状态。
[0056] 实际操作中，可W根据确定的非自衡对象的所述操作变量与所述被控变量的速率 关系，实时的调节所述非自衡对象的操作变量，如输入变量或输出变量。在调节所述非自衡 变量的操作变量的过程中，尽量保证所述非自衡变量的变化量最小，即所述非自衡对象的 资源最优。同时，调节所述非自衡对象最终在预设的第一控制时间内使得所述被控变量达 到目标范围或者目标值。例如，在调节非自衡对象水槽时，可W通过实时的调节水槽的进水 量和出水量，使得水槽的液位与预设的第一控制时间后达到目标范围或目标值。
[0057] 值得注意的是，为了保证所述非自衡对象的安全，本实施例可W预先为所述非自 衡对象的被控变量设置安全约束范围。也就是说，在调节所述非自衡对象的操作变量的过 程中，必须保证所述被控变量是处于预设的安全约束范围内。具体的，在调节所述非自衡对 象的过程中，可W实时追踪所述被控变量的当前值。当确定所述被控变量的当前值不在预 设的安全约束范围时，调节所述操作变量，使得在预设的第二控制时间后所述被控变量能 够达到所述安全约束范围。也就是说，所述非自衡对象的被控变量是被实时追踪的，W保证 其能够一直处于安全约束范围，进而确保所述非自衡对象的安全。
[0化引另外，值得注意的是，为非自衡对象的被控变量设置的安全约束范围的重要性等 级较高。也就是说，在调节控制变量的过程中，必须保证所述被控变量处于所述安全约束范 围。只有在保证安全的情况下，才能追求所述非自衡变量的平衡。
[0059] 实际应用中，求解如下优化命题，W计算所述非自衡对象的操作变量与被控变量 的最优操作点。其中，带自衡对象过程的稳态优化可描述为，
[0060] mi,n./ = i^(",，.v、，A"、）
[006"1] S. t. U曰,y曰，Alls
[0062] 其中，U,，y,分别属于RD，r的紧集，定义如下；
【权利要求】
1. 一种非自衡对象的控制方法，其特征在于，非自衡对象包括操作变量和被控变量，所 述方法包括： 建立所述非自衡对象的稳态增益矩阵； 根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系； 根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的变化量最小的 情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 设置所述被控变量的安全约束范围； 实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在所述安全约束范 围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到所述安全约束范 围。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非自衡对象还包括干扰变量，其中， 所述根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关系，具体为： 根据所述稳态增益矩阵和所述干扰变量，确定所述操作变量与所述被控变量的速率关 系。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非自衡对象的动态控制 参考轨迹； 在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨迹； 将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调整所述操作变 量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。
5. -种非自衡对象的控制装置，其特征在于，所述装置包括： 建立模块，用于建立非自衡对象的稳态增益矩阵，所述非自衡对象包括操作变量和被 控变量； 第一确定模块，用于根据所述稳态增益矩阵，确定所述操作变量与所述被控变量的速 率关系； 调节模块，用于根据所述速率关系，实时调节所述操作变量，以保证在所述操作变量的 变化量最小的情况下，在预设的第一控制时间后所述被控变量达到预设的目标范围或目标 值。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 设置模块，用于设置所述被控变量的安全约束范围； 追踪模块，用于实时追踪所述被控变量的当前值，当确定所述被控变量的当前值不在 所述安全约束范围时，调节所述操作变量，使得预设的第二控制时间后所述被控变量达到 所述安全约束范围。
7. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于： 根据所述稳态增益矩阵和所述非自衡对象包括的干扰变量，确定所述操作变量与所述 被控变量的速率关系。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 第二确定模块，用于根据所述操作变量与所述被控变量的速率关系，预先确定所述非 自衡对象的动态控制参考轨迹； 获取模块，用于在调节所述操作变量的过程中，实时获取所述操作变量的变化量轨 迹； 调整模块，用于将所述操作变量的变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹比较，实时调 整所述操作变量，使得所述变化量轨迹与所述动态控制参考轨迹最大程度的重合。
【文档编号】G05B13/04GK104503245SQ201410842633
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】李海强, 刘传玉, 张艳辉, 杨开香 申请人:浙江中控软件技术有限公司