一种高性能双率串级PID控制方法、装置及系统

摘要

本发明公开了一种高性能双率串级PID控制方法、装置及系统，属于工业生产过程控制技术领域，首先设计内环PID控制器，从而获得内环闭环控制系统动态模型，然后利用外环的采样周期内，内环PID控制器的设定值不变，采用提升技术建立基于内环PID闭环控制系统动态特性的外环动态模型，然后基于外环动态模型设计外环PID控制器，采用确定好的内环PID控制器和外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制。本发明解决了频繁未知干扰或动态特性未知变化造成串级工业过程的内环和外环动态变化，相互影响，甚至造成谐振，无法采用常规串级PID控制技术实现该串级工业过程的控制目标的难题。

权利要求

1.一种高性能双率串级PID控制方法，其特征在于，所述方法包括：采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

针对内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

基于所述内环PID控制器和所述内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，所述内环PID控制器的设定值不变，采用提升技术得到与外环采样周期相同的基于内环闭环控制系统的外环动态模型；结合所述外环被控对象模型，得到基于所述外环动态模型的外环被控对象动态模型；

针对得到的所述外环被控对象动态模型，采用第二PID控制参数整定方法确定外环PID控制器；

基于所述内环PID控制器和所述外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制；

其中，所述第一PID控制参数整定方法为补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法；采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定内环PID控制器，包括：根据使比例控制下的所述内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；

利用内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

在所述内环闭环控制系统中，引入内环动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与输出数据组成的内环动态性能补偿信号；

将所述内环动态性能补偿信号叠加到所述内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

2.根据权利要求1所述的高性能双率串级PID控制方法，其特征在于，所述第二PID控制参数整定方法与所述第一PID控制参数整定方法相同。

3.根据权利要求1所述的高性能双率串级PID控制方法，其特征在于，采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；包括：利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型；

利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

4.一种高性能双率串级PID控制装置，其特征在于，所述装置包括：第一设计单元，用于采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

第二设计单元，用于针对所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

提升单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，所述内环PID控制器的设定值不变，采用提升技术得到与外环采样周期相同的基于内环闭环控制系统的外环动态模型；结合所述第一设计单元设计的外环被控对象模型，得到基于所述外环动态模型的外环被控对象动态模型；

第三设计单元，针对所述提升单元得到的所述外环被控对象动态模型，采用第二PID控制参数整定方法确定外环PID控制器；

双率串级控制单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元确定的外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制；

其中，所述第一PID控制参数整定方法为补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法；第二设计单元具体用于：

根据使比例控制下的所述内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；

利用内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

在所述内环闭环控制系统中，引入内环动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与输出数据组成的内环动态性能补偿信号；

将所述内环动态性能补偿信号叠加到所述内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

5.根据权利要求4所述的高性能双率串级PID控制装置，其特征在于，所述第二PID控制参数整定方法与所述第一PID控制参数整定方法相同。

6.根据权利要求4所述的高性能双率串级PID控制装置，其特征在于，所述第一设计单元具体用于：

利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型；

利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

7.一种高性能双率串级PID控制系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求1～3任一项所述的高性能双率串级PID控制方法得到的内环PID控制器和外环PID控制器，所述系统根据权利要求1～3任一项所述的高性能双率串级PID控制方法进行高性能双率串级PID控制。

说明书

一种高性能双率串级PID控制方法、装置及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及工业生产过程控制技术领域，特别是涉及一种高性能双率串级PID控制方法、装置及系统。

背景技术

[0002] 串级工业过程已广泛应用于实际工业生成中，串级工业过程由两个不同时间尺度的内环和外环组成，内环是快过程，外环是慢过程，内环输出是外环的输入。大部分串级工
业过程控制采用常规串级PID控制，常规串级PID控制器设计方法采用内外环分别设计PID
控制器，先设计内环PID控制器，然后设计外环PID控制器，外环PID控制器的输出作为内环
控制器的设定值。一般的串级工业过程，内环控制系统已稳定，因此外环PID控制器设计不
考虑内环控制系统的特性。

[0003] 但是，复杂的串级工业过程中，频繁未知干扰或动态特性未知变化造成内环和外环处于动态变化之中，相互影响，造成谐振。为了实现工业过程的运行优化，设定值频繁改
变，这导致常规串级PID控制技术无法在所有运行时间内将内外环输出的跟踪误差控制在
目标值范围内，造成产品质量波动，能耗与物耗增大。

[0004] 因此研发高性能串级PID控制技术是目前工业制造过程运行优化亟需解决的关键问题。

发明内容

[0005] 针对频繁未知干扰或动态特性未知变化造成串级工业过程的内环和外环动态变化，相互影响，甚至造成谐振，无法采用常规串级PID控制技术实现该串级工业过程的控制
目标的难题，本发明提出了一种高性能双率串级PID控制方法、装置及系统，以消除频繁未
知干扰或动态特性未知变化造成的串级工业过程的内环和外环动态变化相互影响，改善串
级工业过程的控制系统的动态性能，实现高性能双率串级PID控制。

[0006] 本发明提供了如下技术方案：

[0007] 一方面，本发明提供了一种高性能双率串级PID控制方法，所述方法包括：

[0008] 采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

[0009] 针对内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

[0010] 基于所述内环PID控制器和所述内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，所述内环PID控制器的设定值不变，采用提升技术得到与外环采样周
期相同的基于内环闭环控制系统的外环动态模型；结合所述外环被控对象模型，得到基于
所述外环动态模型的外环被控对象动态模型；

[0011] 针对得到的所述外环被控对象动态模型，采用第二PID参数整定方法确定外环PID控制器；

[0012] 基于所述内环PID控制器和所述外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制。

[0013] 进一步地，所述第一PID控制参数整定技术为补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法；采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定内环PID控制器，包括：

[0014] 根据使比例控制下的所述内环闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；

[0015] 利用内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

[0016] 在所述内环闭环控制系统中，引入内环动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

[0017] 根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

[0018] 采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与输出
数据组成的内环动态性能补偿信号；

[0019] 将所述内环动态性能补偿信号叠加到所述内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

[0020] 进一步地，所述第二PID控制参数整定技术与所述第一PID控制参数整定技术相同。

[0021] 进一步地，采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；包括：

[0022] 利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型；

[0023] 利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

[0024] 另一方面，本发明还提供了一种高性能双率串级PID控制装置，所述装置包括：

[0025] 第一设计单元，用于采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

[0026] 第二设计单元，用于针对所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

[0027] 提升单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，所述内环
PID控制器的设定值不变，采用提升技术得到与外环采样周期相同的基于内环闭环控制系
统的外环动态模型；利用所述第一设计单元设计的外环被控对象模型，得到基于所述外环
动态模型的外环被控对象动态模型；

[0028] 第三设计单元，针对所述提升单元得到的所述外环被控对象动态模型，采用第二PID参数整定方法确定外环PID控制器；

[0029] 双率串级控制单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元确定的外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制。

[0030] 进一步地，所述第一PID控制参数整定技术为补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法；第二设计单元具体用于：

[0031] 根据使比例控制下的所述内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；

[0032] 利用所述内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

[0033] 在所述内环闭环控制系统中，引入内环动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

[0034] 根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

[0035] 采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与输出
数据组成的内环动态性能补偿信号；

[0036] 将所述内环动态性能补偿信号叠加到所述内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

[0037] 进一步地，所述第二PID控制参数整定技术与所述第一PID控制参数整定技术相同。

[0038] 进一步地，所述第一设计单元具体用于：

[0039] 利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型；

[0040] 利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

[0041] 另一方面，本发明还提供了一种高性能双率串级PID控制系统，所述系统包括根据上述高性能双率串级PID控制方法得到的内环PID控制器和外环PID控制器，所述系统根据
上述高性能双率串级PID控制方法进行高性能双率串级PID控制。

[0042] 本发明的优点和积极效果：

[0043] 本发明公开的高性能双率串级PID控制方法、装置及系统，首先设计内环PID控制器，获得内环PID闭环控制系统动态模型，然后利用外环的采样周期内，内环PID控制器的设
定值不变，采用提升技术建立基于内环PID闭环控制系统动态特性的外环动态模型，然后基
于外环动态模型设计外环PID控制器，采用内环PID控制器和外环PID控制器进行高性能双
率串级PID控制，能够适用于存在频繁未知干扰或动态特性未知变化的复杂串级工业过程
的控制，实现该复杂串级工业过程的控制目标。

[0044] 本发明中在设计内、外环PID控制器时，采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法，将动态性能补偿信号叠加到基于Z‑N整定技术的PID控制器的输出，通过改变PID
控制系统的输出控制量，改善PID控制系统的动态性能，从而降低了控制系统的跟踪误差波
动，确保在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，实现了工业过程的优化运行，
进而更好的实现复杂串级工业过程的控制目标。

附图说明

[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，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，还可以
根据这些附图获得其他的附图。

[0046] 图1为本发明实施例中一种高性能双率串级PID控制方法的流程图；

[0047] 图2为本发明实施例中采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定内环PID控制器的流程图；

[0048] 图3为本发明实施例中采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定外环PID控制器的流程图；

[0049] 图4为本发明实施例中的采用高性能串级PID控制方法设计的供水温度和蒸汽流量串级控制系统的结构框图；

[0050] 图5为采用常规串级PID控制技术时外环供水温度和内环蒸汽流量的控制效果；

[0051] 图6为采用本发明双率串级PID控制技术时外环供水温度和内环蒸汽流量的控制效果。

具体实施方式

[0052] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范
围。

[0053] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。

[0054] 参见图1，其示出了本发明实施例中一种高性能双率串级PID控制方法流程图，该方法包括以下步骤：

[0055] S101、采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

[0056] 利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的控制器设计模型，包括内环被控对象模型和外环被控对象模型，利用实际输入输出数
据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

[0057] S102、针对S101中建立的内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

[0058] 其中，第一PID控制参数整定方法用于确定PID控制器的参数，进而设计出PID控制器，可以是经验数据法、临界比例度法、试凑法等任意一种。

[0059] 为了改善PID控制系统的动态性能，降低控制系统的跟踪误差波动，确保在所有运行时间内将跟踪误差控制在目标值范围内，实现工业过程的优化运行，优选地，第一PID控
制参数整定方法采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法，补偿信号驱动的高性
能PID控制参数整定方法是对常规PID控制器进行整定，通过将动态性能补偿信号叠加到常
规PID控制器的输出，从而改变常规PID控制器的输出信号，等价于改变常规PID控制器的参
数而导致的PID控制器的输出信号的改变，得到高性能PID控制器。具体为：根据使比例控制
下的闭环系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；利用被控对象的采样周
期、临界增益、临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对PID控制器参数进行整定；在被控对
象和PID控制器构成的闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以跟踪误差为输出、
动态性能补偿信号为输入的闭环控制系统动态模型；根据建立的闭环控制系统动态模型，
以使跟踪误差极小和动态性能补偿信号波动极小为目标，计算动态性能补偿信号；采用由
跟踪误差和动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，精确
求得由控制系统设定值、跟踪误差以及实际输入与输出数据组成的动态性能补偿信号；将
动态性能补偿信号叠加到PID控制器的输出，获得高性能PID控制器的输出。其中，离散Z‑N
频率整定方法的公式如下：

[0060]

[0061] 其中，KP、KI、KD分别为PID控制器的比例、积分、微分参数；KPu为被控对象的临界增益，Tu为控制器设计模型的临界周期，T0为系统采样周期。

[0062] 在一具体实施方式中，如图2所示，采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定内环PID控制器，包括以下步骤：

[0063] S201、根据使比例控制下的内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；内环闭环控制系统基于内环PID控制器和内环被控对象模型得到；

[0064] S202、利用内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

[0065] S203、在内环闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

[0066] S204、根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

[0067] S205、采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与
输出数据组成的内环动态性能补偿信号；

[0068] S206、将内环动态性能补偿信号叠加到内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

[0069] S103、基于S102得到的内环PID控制器和S101得到的内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，内环PID控制器的设定值不变，采用提升技术得
到与外环采样周期相同的基于内环闭环控制系统的外环动态模型；利用S101得到的外环被
控对象模型，得到基于该外环动态模型的外环被控对象动态模型。

[0070] 这里的提升技术指的是，将一个快采样周期的对象，利用在慢采样周期内的设定值不变，通过迭代运算得到一个慢采样周期的对象。

[0071] S104、针对S103得到的外环被控对象动态模型，采用第二PID参数整定方法确定外环PID控制器；

[0072] 其中，第二PID控制参数整定方法也是用于确定PID控制器的参数，进而设计出PID控制器的方法，可以是经验数据法、临界比例度法、试凑法等任意一种。第二PID参数整定方
法可以与第一PID参数整定方法相同，也可以不相同。优选地，第二PID参数整定方法也采用
上述补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法。

[0073] 在一具体实施方式中，如图3所示，采用补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法确定外环PID控制器，包括以下步骤：

[0074] S401、根据使比例控制下的外环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；外环闭环控制系统基于外环PID控制器和外环被控对象模型得到；

[0075] S402、利用外环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对外环PID控制器参数进行整定；

[0076] S403、在外环闭环控制系统中，引入动态性能补偿信号，建立以外环跟踪误差为输出、外环动态性能补偿信号为输入的外环闭环控制系统动态模型；

[0077] S404、根据建立的外环闭环控制系统动态模型，以使外环跟踪误差极小和外环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算外环动态性能补偿信号；

[0078] S405、采用由外环跟踪误差和外环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由外环控制系统设定值、外环跟踪误差以及外环实际输入与
输出数据组成的外环动态性能补偿信号；

[0079] S406、将外环动态性能补偿信号叠加到外环PID控制器的输出，获得高性能外环PID控制器的输出。

[0080] S105、基于S102确定的内环PID控制器和S104确定的外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制。

[0081] 本发明实施例中公开的高性能双率串级PID控制方法，首先设计内环PID控制器，获得内环PID闭环控制系统动态模型，然后利用外环的采样周期内，内环PID控制器的设定
值不变，采用提升技术建立基于内环PID闭环控制系统动态特性的外环动态模型，然后基于
外环动态模型设计外环PID控制器，采用内环PID控制器和外环PID控制器进行高性能双率
串级PID控制，能够适用于存在频繁未知干扰或动态特性未知变化的复杂串级工业过程的
控制，实现该复杂串级工业过程的控制目标。

[0082] 本发明还提供了一种高性能双率串级PID控制系统，该高性能双率串级PID控制系统包括上述高性能双率串级PID控制方法中确定的内环PID控制器和外环PID控制器，并利
用上述高性能双率串级PID控制方法进行该性能双率串级PID控制。

[0083] 为了便于理解，下面以我国西北地区某选矿企业中的工业换热过程为例对本发明中高性能双率串级PID控制系统进行说明。由于该过程处于环境温差变化大的中国西北地
区，导致回水温度和流量大范围变化，该过程中的供汽系统还要向间歇式生产过程供汽，造
成蒸汽压力大范围频繁变化，导致换热过程蒸汽流量内环频繁波动，从而引起供水温度外
环动态变化，循环水水质造成传热系数变化，无法采用常规串级PID控制方法实现供水温度
和蒸汽流量的控制目标。针对该复杂串级工业过程，采用本发明的高性能串级PID控制方法
设计的供水温度和蒸汽流量串级控制系统，在所有运行时间内实现了控制目标。

[0084] 参见图4，其示出了本发明实施例中采用高性能串级PID控制方法设计供水温度和蒸汽流量串级控制系统的结构框图。采用本发明的高性能串级PID控制方法设计供水温度
和蒸汽流量串级控制系统的具体实施步骤描述如下：

[0085] 步骤一：利用工业换热过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述工业换热过程被控过程的内外环被控对象模型，利用实际输入输出数据，采用系统辨识算
法辨识内外环模型参数。

[0086] 在具体实施时步骤一包括以下两个具体步骤：

[0087] 步骤A：由于换热工业过程运行在工作点附近，采用下列离散线性模型作为PID控制器设计模型，也就是被控对象模型，其中，供水温度外环被控对象模型如式(1)：

[0088] A1(z‑1)y1(T+1)＝B1(z‑1)y2(T)   (1)

[0089] 其中，y1(T)、y2(T)分别表示供水温度外环的输出和蒸汽流量内环的输出，T＝t/‑1 ‑1 ‑1
T01＝0,1,2...为离散的外环采样时间，系统采样周期设为5s。A1(z )＝1+a11z ，B1(z )＝
b10，其中，a11和b10为供水温度外环模型参数。

[0090] 蒸汽流量内环被控对象模型如式(2)：

[0091] A2(z‑1)y2(k+1)＝B2(z‑1)u2(k)   (2)

[0092] 其中，y2(k)、u2(k)分别表示蒸汽流量内环的输出和阀门开度输入，k＝t/T02＝0,‑1 ‑1 ‑1
1,2...为离散的内环采样时间，系统采样周期设为1s。A2(z )＝1+a21z ，B2(z )＝b20，其
中，a21和b20为蒸汽流量内环模型参数。

[0093] 步骤B：采集被控对象输入输出数据，采用系统辨识算法辨识模型参数，得a11＝‑0.9729、b10＝0.0637、a21＝‑0.7838和b20＝0.0266。

[0094] 步骤二：采用高性能PID控制参数整定方法设计蒸汽流量内环PID控制器。

[0095] 为了表述方便，下面将经高性能PID控制参数整定方法整定前的内环PID控制器称为常规内环PID控制器，将经高性能PID控制参数整定方法整定后的内环PID控制器称为高
性能内环PID控制器。

[0096] 步骤二的具体实施过程如下：

[0097] 蒸汽流量高性能内环PID控制器可表示为：

[0098] u2(k)＝u21(k)+u22(k)   (3)

[0099] 其中，u2(k)为高性能内环PID控制器的输出，u21(k)为常规内环PID控制器的输出，u22(k)为数据驱动的内环补偿信号，u21(k)表示为：

[0100] u21(k)＝u21(k‑1)+kp2[e2(k)‑e2(k‑1)]+ki2e2(k)+kd2[e2(k)‑2e2(k‑1)+e2(k‑2)](4)

[0101] 其中，e2(k)＝y2sp(k)‑y2(k)为蒸汽流量被控对象的跟踪误差，y2sp(k)为高性能内环PID控制器的设定值，kp2、ki2和kd2为常规内环PID控制器的参数。

[0102] 根据使比例控制下的内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期。

[0103] 利用蒸汽流量模型的采样周期T02＝1s、临界增益KPu2＝29.17、临界周期Tu2＝7.0，根据离散Z‑N频率整定方法对蒸汽流量常规内环PID控制器参数kp2、ki2和kd2进行整定：

[0104]

[0105] 引入如下由蒸汽流量跟踪误差和补偿信号组成的一步最优控制的性能指标：

[0106] J2＝[e2(k+1)]2+[λ2(1‑z‑1)u22(k)]2   (6)

[0107] 使J2极小，求得u22(k)为：

[0108]

[0109] 其中，

[0110] z‑1G′2(z‑1)＝1‑{A2(z‑1)(1‑z‑1)+z‑1B2(z‑1)[kp2+ki2+kd2‑(kp2+2kd2)z‑1+kd2z‑2]}，加权系数λ2满足下式：

[0111] B2(z‑1){1‑λ2z‑1[kp2+ki2+kd2‑(kp2+2kd2)z‑1+kd2z‑2]}‑λ2A2(z‑1)(1‑z‑1)≠0,|z|＞1(8)

[0112] 本实施例中，取λ2＝‑0.02。

[0113] 由式(3)‑式(8)可得蒸汽流量高性能内环PID控制器的输出，也就是调节阀门开度u2(k)为：

[0114]

[0115] 步骤三：采用提升技术建立基于蒸汽流量内环闭环控制系统动态特性的供水温度外环被控对象动态模型。

[0116] 由式(9)和式(2)可得蒸汽流量内环闭环控制系统为：

[0117] {B2(z‑1){1‑λ2z‑1[kp2+ki2+kd2‑(kp2+2kd2)z‑1+kd2z‑2]}‑λ2A2(z‑1)(1‑z‑1)}y2(k+1)＝‑1 ‑1 ‑1 ‑2
B2(z ){1‑λ2z [kp2+ki2+kd2‑(kp2+2kd2)z +kd2z ]}y2sp(k+1)    (10)

[0118] 为了建立反映蒸汽流量内环闭环控制系统动态特性的供水温度外环动态模型，首先将k时刻的闭环控制系统式(10)转化为供水温度外环采样周期T时刻的闭环方程。为此，
将式(10)表示为状态空间的形式：

[0119]

[0120]

[0121] 由式(11)可得

[0122]

[0123] 当i＝0,1,2,3,4时，将(13)式进行迭代，可得：

[0124]

[0125] 由于外环控制产生的高性能内环PID控制器的设定值y2sp(k)在外环的采样周期T内不变，其中外环的采样周期是内环的采样周期的5倍，T＝5k，即：

[0126] y2sp(5k)＝y2sp(5k+i)(i＝1,2,3,4)   (15)

[0127] 由式(14)和式(15)可得：

[0128]

[0129] 式(12)可以表示为：

[0130]

[0131] 由式(16)和式(17)可得在供水温度外环T时刻的蒸汽流量闭环控制系统方程为：

[0132] T(z‑1)y2(T)＝D(z‑1)y2sp(T)   (18)

[0133] 其中，

[0134] T(z‑1)＝1+t1z‑1+t2z‑2+t3z‑3＝1+1.0345z‑1‑0.569z‑2+0.0002z‑3

[0135] D(z‑1)＝d0+d1z‑1+d2z‑2+d3z‑3＝0.57‑0.0655z‑1‑0.4364z‑2+0.001z‑3

[0136] 式(18)表示在供水温度外环采样周期时刻的蒸汽流量，由式(18)和式(1)可得基于蒸汽流量闭环控制系统的供水温度外环动态模型：

[0137] A(z‑1)y1(T+1)＝B(z‑1)y2sp(T)   (19)

[0138] 其中，

[0139] A(z‑1)＝T(z‑1)A1(z‑1)＝1+0.0616z‑1‑1.5755z‑2+0.5538z‑3‑0.0002z‑4；

[0140] B(z‑1)＝D(z‑1)B1(z‑1)＝0.0363‑0.0042z‑1‑0.0278z‑2+0.0001z‑3；

[0141] 步骤四：针对供水温度外环动态模型式(19)，采用高性能PID控制参数整定方法设计供水温度外环PID控制器。

[0142] 为了表述方便，下面将经高性能PID控制参数整定方法整定前的外环PID控制器称为常规外环PID控制器，将经高性能PID控制参数整定方法整定后的外环PID控制器称为高
性能外环PID控制器。

[0143] 步骤四的具体实施过程如下：

[0144] 供水温度高性能外环PID控制器可表示为：

[0145] y2sp(T)＝y2sp1(T)+y2sp2(T)   (20)

[0146] 式中，y2sp(T)为高性能外环控制器的输出，y2sp1(T)为常规外环PID控制器的输出，y2sp2(T)为数据驱动的外环补偿信号。y2sp1(T)表示为：

[0147] y2sp1(T)＝y2sp1(T‑1)+kp1[e1(T)‑e1(T‑1)]+ki1e1(T)+kd1[e1(T)‑2e1(T‑1)+e1(T‑2)]

[0148] (21)

[0149] 其中，e1(T)＝y1sp(T)‑y1(T)为供水温度被控对象的跟踪误差，y1sp(T)为高性能外环控制器的设定值，kp1、ki1和kd1为常规外环PID控制器的参数。

[0150] 根据使比例控制下的外环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期。

[0151] 利用供水温度模型的采样周期T01＝5s、临界增益KPu1＝2.21、临界周期Tu1＝53，根据离散Z‑N频率整定方法对供水温度常规外环PID控制器参数kp1、ki1和kd1进行整定：

[0152]

[0153] 引入如下由供水温度跟踪误差和补偿信号组成的一步最优控制的性能指标：

[0154] J1＝[e1(T+1)]2+[λ1(1‑z‑1)y2sp2(T)]2   (23)

[0155] 使J2极小，求得y2sp2(T)为：

[0156]

[0157] 其中，

[0158] z‑1G′1(z‑1)＝1‑{A(z‑1)(1‑z‑1)+z‑1B(z‑1)[kp1+ki1+kd1‑(kp1+2kd1)z‑1+kd1z‑2]}，加权

[0159] 系数λ1满足下式：

[0160] B(z‑1){1‑λ1z‑1[kp1+ki1+kd1‑(kp1+2kd1)z‑1+kd1z‑2]}‑λ1A(z‑1)(1‑z‑1)≠0,|z|＞1(25)

[0161] 本实施例中，取λ1＝1.2。

[0162] 由式(20)‑式(25)可得供水温度高性能外环PID控制器的输出，即蒸汽流量的设定值y2sp(T)为：

[0163]

[0164] 步骤五：基于高性能内环PID控制器式(9)和高性能外环PID控制器式(26)进行高性能双率串级PID控制。

[0165] 采用上述技术方案所设计的工业换热过程的串级控制系统已成功应用。工业应用结果表明，当受到蒸汽压力、室外温度和循环水水质未知变化时，该串级控制系统具有明显
优于常规串级PID控制系统的动态性能。由图5可以看出，采用常规串级PID控制方法时，供
水温度波动范围为±5.0℃，蒸汽流量变化率波动范围为±0.8t/h，分别超出目标值范围
66.67％和60％。由图6可以看出，采用本发明的高性能双率串级PID控制方法时，供水温度
的波动范围为±3℃，蒸汽流量变化率波动范围为±0.45t/h，满足控制目标。与常规串级
PID控制技术相比，供水温度和蒸汽流量变化率的波动分别降低了40％和43.75％。

[0166] 与上述实施例中的高性能双率串级PID控制方法相对应，本发明还提供了一种高性能双率串级PID控制装置，该装置包括：

[0167] 第一设计单元，用于采用离散模型建立串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型，并采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数；

[0168] 第二设计单元，用于针对所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，采用第一PID控制参数整定方法确定内环PID控制器；

[0169] 提升单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元设计的内环被控对象模型，得到内环闭环控制系统；利用在外环的采样周期内，所述内环
PID控制器的设定值不变，采用提升技术得到与外环采样周期相同的基于内环闭环控制系
统的外环动态模型；利用所述第一设计单元设计的外环被控对象模型，得到基于所述外环
动态模型的外环被控对象动态模型；

[0170] 第三设计单元，针对所述提升单元得到的所述外环被控对象动态模型，采用第二PID参数整定方法确定外环PID控制器；

[0171] 双率串级控制单元，用于基于所述第二设计单元确定的内环PID控制器和所述第一设计单元确定的外环PID控制器进行高性能双率串级PID控制。

[0172] 进一步地，所述第一PID控制参数整定技术为补偿信号驱动的高性能PID控制参数整定方法；第二设计单元具体用于：

[0173] 根据使比例控制下的所述内环闭环控制系统临界稳定且震荡的条件计算临界增益和临界周期；

[0174] 利用内环的采样周期、临界增益和临界周期，根据离散Z‑N频率整定方法对内环PID控制器参数进行整定；

[0175] 在所述内环闭环控制系统中，引入内环动态性能补偿信号，建立以内环跟踪误差为输出、内环动态性能补偿信号为输入的内环闭环控制系统动态模型；

[0176] 根据建立的内环闭环控制系统动态模型，以使内环跟踪误差极小和内环动态性能补偿信号波动极小为目标，计算内环动态性能补偿信号；

[0177] 采用由内环跟踪误差和内环动态性能补偿信号组成的一步最优控制的性能指标，使该性能指标极小，求得由内环控制系统设定值、内环跟踪误差以及内环实际输入与输出
数据组成的内环动态性能补偿信号；

[0178] 将所述内环动态性能补偿信号叠加到所述内环PID控制器的输出，获得高性能内环PID控制器的输出。

[0179] 进一步地，所述第二PID控制参数整定技术与所述第一PID控制参数整定技术相同。

[0180] 进一步地，所述第一设计单元具体用于：

[0181] 利用工业过程运行在工作点附近的特点，采用离散线性模型来描述该串级被控过程的内环被控对象模型和外环被控对象模型；

[0182] 利用实际输入输出数据，采用系统辨识算法辨识内环模型参数和外环模型参数。

[0183] 对于本发明实施例的高性能双率串级PID控制装置而言，由于其与上面实施例中的高性能双率串级PID控制方法相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实
施例中部分的说明即可，此处不再详述。

[0184] 应该理解到，在本发明所提供的几个实施例中，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为
一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或
者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互
之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连
接，可以是电性或其它的形式。

[0185] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0186] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0187] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上
或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式
体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机
设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或
部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存
储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的
介质。

[0188] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。