一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法

摘要

一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，包括：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比。本发明利用PI控制器原理结构简单、阶次低、鲁棒性较强等特点和数据驱动控制方法充分利用历史输入输出数据和未建模动态本身的历史数据信息等特点，更好的提取系统的动态特性，对前一时刻虚拟未建模动态进行有效估计和补偿，使得稳定性和控制效果显著提升。

主权项

一种基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设定液位目标值，启动水泵，水泵开始转动并从蓄水池抽水，水流经流量检测装置后进入密封容器或开口容器中；步骤2：通过密封容器或开口容器中的液位传感器实时检测液位高度；步骤3：建立基于虚拟未建模动态补偿的PI控制模型，该模型的输入为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，该模型的输出是用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比；步骤3.1：建立液位系统的低阶线性模型：A(z^‑1)y^*(k+1)＝B(z^‑1)u(k)其中，y^*(k+1)为液位系统的低阶线性模型输出，控制量u(k)为用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比，A(z^‑1)、B(z^‑1)为液位系统的低阶线性模型的参数多项式，A(z^‑1)＝1+α₁z^‑1，B(z^‑1)＝β₀，α₁,β₀均为常数；步骤3.2：将液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值作为虚拟未建模动态；步骤3.3：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型：A(z^‑1)y(k+1)＝B(z^‑1)u(k)+V[x(k)]其中，V[x(k)]为k时刻的虚拟未建模动态，y(k+1)为液位传感器实时检测的液位高度；步骤3.4：建立基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型：$\begin{array}{c}u\left(k\right)=(K_p+\frac{K_I}{1-z^{-1}})[w\left(k\right)-y\left(k\right)]-K\left(z^{-1}\right)V\left[x(k-1)\right]\\ =\frac{G\left(z^{-1}\right)}{H\left(z^{-1}\right)}[w\left(k\right)-y\left(k\right)]-K\left(z^{-1}\right)V\left[x(k-1)\right]\end{array}$其中，w(k)‑y(k)为液位目标值和液位高度测量值形成的偏差信号，K_P和K_I分别为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的比例系数和积分系数，G(z^‑1)，H(z^‑1)表示为基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式，H(z^‑1)＝1‑z^‑1，G(z^‑1)＝g₀+g₁z^‑1，g₀＝K_p+K_I，g₁＝‑K_p，V[x(k‑1)]为k‑1时刻的虚拟未建模动态，K(z^‑1)为虚拟未建模动态补偿多项式；步骤3.5：采用闭环极点配置方法确定基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型的加权多项式H(z^‑1)和G(z^‑1)，进而得到K_P和K_I；步骤3.6：根据液位传感器实时检测的液位高度与液位系统的低阶线性模型输出的差值求解k‑1时刻的虚拟未建模动态V[x(k‑1)]；步骤3.7：将基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型代入基于虚拟未建模动态补偿的液位系统离散模型，得到液位系统的闭环方程：[H(z^‑1)A(z^‑1)+z^‑1B(z^‑1)G(z^‑1)]y(k+1)＝B(z^‑1)G(z^‑1)w(k)+[H(z^‑1)‑B(z^‑1)K(z^‑1)]V[x(k‑1)]+H(z^‑1)ΔV[x(k)]其中，w(k)为设定的液位目标值，ΔV[x(k)]为虚拟未建模动态增量，Δv[x(k)]＝v[x(k)]‑v[x(k‑1)]；步骤3.8：令H(z^‑1)‑B(z^‑1)K(z^‑1)＝0，确定虚拟未建模动态补偿多项式K(z^‑1)；步骤3.9：将K_P、K_I、V[x(k‑1)]、K(z^‑1)和w(k)‑y(k)代入建立的基于虚拟未建模动态补偿的液位系统PI控制模型，得到用来驱动执行机构水泵的脉冲宽度调制占空比u(k)；步骤4：根据脉冲宽度调制占空比驱动执行机构水泵，使液位高度达到液位目标值，完成液位系统控制。