面向PLC實現的基于狀態空間模型優化控制方法及系統與流程

本發明涉及plc狀態控制領域，特別涉及一種面向plc實現的基于狀態空間模型優化控制方法及系統。

背景技術：

1、plc主要用于工廠自動化的非觸點式順序控制電路系統中使用，通過將繼電器、計時器、計數器等硬件要素連接起來構成控制系統，或在改變程序的非觸點式時序控制中使用；plc控制具有速度快、耐環境、操作方便、經濟效益好等優點，并且包括多個控制要素，能夠實現可編程的實時控制組合，而為了提高plc的穩定性和控制能力，plc控制系統或模型優化是重要的因素，而現有的plc軟件控制方法或控制系統則無法實現系統控制功能的擴展。

2、plc已經在工業自動化領域中得到大量的應用，然而當前plc有限的計算能力和存儲能力，使得無法利用plc自帶的控制邏輯實現較高級控制過程的實現和優化，該機械和軟件上的缺陷極大地限制了plc在當前先進制造和先進過程控制中的應用，當前plc系統設計無法為高維被控系統提供優化控制方法，通常只能面向低維控制器提供pid控制，因此在進一步提升系統整體性能以及控制維度上存在局限性。

3、公開號為“cn105103059a”的專利文獻，公開了一種用于在plc中實現模型預測性控制的系統和方法，模型預測性控制框架實現為可編程邏輯控制器系統的運行時系統功能特征的部分，在plc的運行時，mpc功能塊中執行最優控制計算，最優控制功能由plc的工程工具中的mpc塊，使用包含來自plc執行的單位階躍響應測試的測量的系統動態矩陣來確定，但是該方法在執行軟件控制過程時無法進行系統控制功能的擴展，無法提升plc系統對高級控制過程的實現和優化程度，無法通過軟件寫入改善控制邏輯和模型優化。

4、因此，目前對于plc控制能力的提升和控制過程的高維優化，存在能力拓展的能力較差、存在控制優化方向以及系統整體性能提升存在較多局限性的問題。

技術實現思路

1、本發明為了解決現有的上述存在的plc軟件控制方法或控制系統存在無法實現系統控制功能拓展以及無法對高級控制過程的穩定控制的技術問題，提供了一種面向plc實現的基于狀態空間模型優化的控制發方法，具有通過快速搭建基于狀態空間模型優化控制，實現系統閉環控制的特點。

2、本發明的第一種技術方案：面向plc實現的基于狀態空間模型優化控制方法，用于針對給定狀態空間方程模型的控制對象，包括以下步驟，

3、(i)獲取plc控制柜收集的環境監測數據，根據離線設置進行控制器參數函數初始化，基于環境監測數據以及狀態空間模型優化控制框架，定義狀態空間方程，確定設備啟動條件；

4、(ii)plc根據收集的環境監測情況被劃分生成離線區塊、在線區塊和函數運算區塊，離線區塊接收離線數據，在線區塊輸出矩陣運算函數參數結果，函數運算區塊調用各類矩陣運算函數塊進行矩陣運算得到控制參數并輸出到在線區塊并反饋離線數據到離線區塊；

5、(iii)根據環境監測數據構建模型同時寫入函數塊，并將矩陣運算函數塊的疊加運算結果送入模型離散化函數塊，實現環境狀態空間方程離散化；

6、(iv)完成矩陣運算函數塊的方程離散化后，再次進行控制器參數初始化，并通過控制模型數據塊和控制器參數數據塊實現控制參數的計算，輸入被控對象的狀態量和輸入量，同時打開觸發開關，控制器開始運行，實現被控制對象的動作指令傳輸；

7、(v)被控制對象將工作數據反饋至控制器是是是計算函數塊，進行工作環境參數改變，重復步驟(i)，實現plc的系統控制閉環。

8、通過上述過程，能夠通過步驟(i)針對給定狀態空間的環境監測數據選定空間方程模型的控制對象，在plc平臺上快速搭建基于狀態空間模型優化控制，基于plc的狀態方程預測控制器的應用可以使得預測控制技術更易于集成和適應工業控制系統，提高系統的可靠性和穩定性。

9、通過步驟(ii)和步驟(iii)能夠通過對plc平臺的實時性、穩定性和控制性的優化使得預測控制能夠更迅速地對系統狀態進行調整，實現更快速的反饋和控制響應，提高工業過程中的實時性，降低系統響應時間，并且使得參數函數和矩陣函數的選取速率以及優化效率；plc平臺的可編程性和矩陣函數外接導入靈活性使得控制器的設計、調整和維護更加簡便，降低了系統的可操作性和維護成本。

10、作為優選，所述模型寫入函數塊、模型離散化函數塊、控制器參數初始化函數塊、控制模型數據塊和控制器參數數據塊劃分于離線區塊，矩陣加法運算函數塊、矩陣乘法運算函數塊、矩陣求冪運算函數塊、矩陣行列式運算函數塊、矩陣求逆運算函數塊和矩陣求逆數據塊劃分于函數運算區塊，所述控制器實時計算函數塊劃分于在線區塊，所述控制器實時計算函數塊與控制模型數據塊和控制器參數數據塊單向電性連接。

11、離線區塊、函數運算區塊和在線區塊是用于可編程邏輯控制器編程以實現模型預測性控制和預測性調整優化的模型預測性控制工程工具，同時導入矩陣參數運算提高對高級過程控制的能力，彌補了plc系統設計無法為高維被控系統提供優化控制方法的問題。

12、作為優選，所述模型寫入函數塊和控制器參數初始化函數塊的輸入端接入離線設置裝置，所述模型離散化函數塊接收來自模塊寫入函數塊定義的狀態空間方程類型數據，所述模型離散化數據塊和控制器參數初始化函數塊同時接收來自plc狀態空間模型優化控制框架中的函數運算模塊發送的運算數據。

13、通過寫入函數塊和控制參數初始化函數塊進行矩陣函數選擇，能夠快速確定或變更對應控制參數和矩陣控制函數的設計，例如確定特定外部設備的類型和錯誤發生情況是否為周期性或反復性，并針對該設備類型選取對應控制參數和矩陣控制函數，防止函數選擇錯誤而導致plc進入錯誤模式執行命令，具有提高plc系統的控制靈活性和穩定性，并通過減少用戶手動介入以及設備變化變量使得程序系統產生錯誤。

14、作為優選，所述處于離線區塊的控制模型數據塊和控制器參數數據塊根據離線參數形成空間狀態數據參數，并將其發送至在線控制器實時計算函數塊形成狀態控制參數。

15、離線區塊識別到plc控制柜的工作環境變化時，能夠通過控制模型數據塊和控制器參數數據塊做出相應反應來避免plc控制柜的內部結構或內部元件因環境變化受到破壞，同時根據實時計算函數塊確認plc控制柜的工作環境是否產生異常，并選定相應的狀態控制參數進行參數函數變更和工作狀態矯正，減少工作環境快速變更導致的plc控制柜內部損壞。

16、作為優選，所述模型寫入函數塊用于定義狀態空間方程模型、控制維度、狀態維度、輸出維度和控制周期。

17、通過多維度定義狀態空間方程類型，能夠將預測控制技術應用于plc平臺，通過適應plc平臺特性以及對工作環境進行預測，實現對工業自動化更精準、高效、可靠的控制，從而產生效益、資源利用和環保等多方面的積極效果。

18、作為優選，所述模型離散化函數塊用于將狀態空間方程離散化。

19、作為優選，所述控制器參數初始化函數塊用于初始化控制中優化時域、控制權重、輸出權重和反饋律矩陣。

20、作為優選，所述控制器實時計算函數塊用于根據給定設定值和被控制對象狀態反饋計算控制量，并進行實時變化雙向輸入和輸出。

21、本發明的第二種技術方案：面向plc實現的基于狀態空間模型優化控制系統，包括以下結構，

22、電源模塊；

23、cpu計算電路，作中央處理器用于矩陣函數運算；

24、離線控制模塊，接收設備離線設置并寫入模型函數塊決定矩陣函數類型，與cpu計算電路電性連接；

25、在線控制模塊，與離線控制模塊和cpu計算電路連接，反饋控制函數結果，內設有控制器實時計算函數塊，通過控制器實時計算函數塊接收離線控制模塊和cpu計算電路的控制參數，輸出至被控對象。

26、通過cpu計算電路、離線控制模塊和在線控制模塊的組合控制，使得該控制裝置將預測控制技術應用于plc平臺，通過適應plc平臺的特性，實現對工業自動化系統更精準、高效、可靠的控制，從而帶來了生產效益、資源利用和環保等多方面的積極效果。

27、作為優選，所述離線控制模塊包括以下模塊，

28、模型寫入函數塊，寫入離線設置，確定矩陣函數類型和狀態空間方程，與模型離散化函數塊電性連接；

29、模型離散化函數塊，用于狀態空間方程離散化，接收cpu計算電路的參數方程；

30、控制器參數初始化函數塊，用于初始化控制器中的優化時域、控制權重、輸出權重和反饋律矩陣類型，與cpu計算電路和離線設置模塊連接；

31、控制模型數據塊，寫入控制器給定設定值，將控制器給定設定值發送至在線控制模塊，與在線控制模塊電性連接；

32、控制器參數數據塊，寫入被控對象狀態反饋參數，將被控對象狀態反饋參數發送至在線控制模塊，與在線控制模塊電性連接。

33、離線控制模塊能夠使得預測控制裝置能夠更迅速地對被控制目標進行調整，實現更快速的反饋和控制響應，提高工業過程中的實時性，降低系統響應時間，同時plc的快速響應反饋使得控制器系統設計、調整和維護方法更加簡便，降低了控制器系統的操作和維護成本。

34、作為優選，所述在線控制模塊包括以下模塊，

35、控制器實時計算函數塊，用于根據給定設定值和被控對象狀態反饋計算控制量，將控制量輸出到被控對象。

36、作為優選，所述電源模塊包括：輸入整流模塊，所述輸入整流模塊采用橋式整流電路結構設置，用于將輸入的交流電轉換為直流電，所述輸入整流模塊的輸出端電連接有升壓電路，所述pfc升壓電路的輸出端電連接有諧振電路，所述llc諧振電路用于提升電壓轉換效率，并通過軟開關功能減少開關損耗，所述llc諧振電路的輸出端電連接有同步整流電路，所述sr同步整流電路用于將llc諧振電路的輸出進行整流，并將整流后的直流電提供給后續負載或電池充電；

37、其中，所述llc諧振電路包括mos管q3和mos管q4組成的半橋電路、諧振電容c28、llc諧振芯片u6以及變壓器t1，所述mos管q3的源極與mos管q4的漏極連接，所述mos管q3的源極還與llc諧振芯片u6的out引腳和變壓器t1的初級同名端相連，所述mos管q3的漏極與pfc升壓電路中的電容相連接，所述mos管q3的柵極與llc諧振芯片u6的hvg引腳相連接，所述mos管q4的源極接地，所述mos管q4的柵極與llc諧振芯片u6的lvg引腳相連接，所述變壓器t1內集成有諧振電感，所述變壓器t1的非同名端串聯諧振電容c28到地，形成llc電流網絡，所述變壓器t1的非同名端上還設置有濾波電路，并連接到llc諧振芯片u6的isen引腳，用于檢測llc回路中的電流。

38、具體地說，所述的llc諧振芯片u6采用的是eg6599s型號。所述eg6599s芯片通過輸出180°異相信號來控制半橋電路中的mos管q3和q4交替地開關動作。

39、進一步地，為了確保電路的安全與穩定運行，所述eg6599s芯片的開關占空比被配置為略小于50％，以在一只mos管完全關斷至另一只即將開通之間引入一個短暫的死區時間(td)，且所述死區時間內上下mos管都關斷，從而避免了由于開關速度過快導致的瞬態短路現象的發生，勇士，保證變換器在整個連續工作周期內保持穩定運行，有效實現軟開關技術的應用，進而達到高頻、高效且低電磁干擾(emi)的理想工作狀態。

40、此外，通過精確控制死區時間td的長度，還可以進一步優化電源轉換效率及可靠性。

41、本方案中，通過使用llc諧振電路，電源能夠在較寬的輸入電壓范圍內保持較高的轉換效率，減少電磁輻射，降低對周圍環境的干擾。同時，通過輸入端的浪涌保護電路和emi濾波電路有效抑制了外部干擾，保證了電源的穩定性和可靠性，并共同構成了完善的過載和短路保護機制，確保電源在異常情況下能夠迅速切斷電路，防止設備損壞和安全隱患。

42、進一步地，通過pfc升壓電路不僅提高了輸入電壓，還通過功率因數校正(pfc)技術改善了電網側的電流波形，使得整個電源系統更加穩定可靠。而同步整流電路(sr)的使用則是提高了電源的整體效率和穩定性。

43、作為優選，所述mos管q4的柵極與mos管q3的柵極上均并聯有過壓保護電路。

44、本方案中，通過在mos管q4和mos管q3的柵極上并聯過壓保護電路，有效控制電壓波動，減少因電壓異常導致的電路故障，從而提高整個系統的可靠性，即當輸入電壓超過預設閾值時，過壓保護電路會自動啟動，防止過高的電壓損壞mos管或其他敏感元件。

45、作為優選，所述llc諧振電路還包括光耦合器u3，所述光耦合器u3的發射極接地，所述光耦合器u3的集電極連接到llc諧振芯片u6的rfmin引腳，用于控制次級電壓信號的輸出功率，所述光耦合器u3的正負極連接到sr同步整流電路。

46、本方案中，光耦合器u3能夠根據反饋信號調整llc諧振芯片u6的工作狀態，從而實現對次級電壓信號輸出功率的精確控制，提高整個電源模塊的轉換效率。同時，在不同的負載條件下，光耦合器可以實時調整輸出功率，確保系統始終運行在最佳效率點。并提供了電氣隔離，有效減少電磁干擾(emi)，使得變壓器t1初級側和次級側之間的反饋更加安全可靠，避免了直接連接可能帶來的干擾和損壞。

47、進一步地，所述光耦合器u3的集電極與llc諧振芯片u6的rfmin引腳之間連接有跳線器jp2。

48、本方案中，跳線器jp2能夠允許用戶或技術人員在需要時輕松地斷開或連接光耦合器u3與llc諧振芯片u6之間的連接，從而根據不同的應用場景調整系統的工作模式，并通過跳線器快速切換不同的配置，方便工程師進行故障排查和性能優化。

49、作為優選，所述pfc升壓電路包括升壓電感l2、續流二極管d4、mos管q1以及pfc芯片u1，所述升壓電感l2初級線圈連接在輸入整流模塊和二極管d4之間，所述升壓電感l2次級線圈連接到pfc芯片u1的zcd引腳偵測退磁效應，所述mos管q1漏極連接到l2電感和二極管d4之間，所述mos管q1柵極連接到pfc芯片u1的驅動引腳gd，所述mos管q1源極串并聯采樣電阻r23接地，所述pfc芯片u1的cs引腳連接到采樣電阻r23與mos管q1之間。

50、其中，所述pfc升壓電路能夠將低電壓的交流電轉換為更高且穩定的直流電壓，同時通過功率因數校正技術提高了電網側的電能利用效率，減少了能源浪費。所述二極管d4為續流二極管。

51、本方案中，通過升壓電感l2實現升壓，當mos管q1導通時，相當于電感對地連接，此時能量儲存到電感之中，當mos管q1關閉，電感能量和電源同時通過二極管d4流出實現升壓，pfc芯片u1通過gd引腳去控制mos管q1柵極電壓改變而使mos管開關，進一步實現功率因數校正和電壓調節。

52、進一步地，采樣電阻r23與mos管q1之間的連接還起到了電流檢測的作用，當檢測到異常電流時，pfc芯片u1可以迅速做出響應，切斷mos管q1的驅動信號，從而保護電路免受損壞。同時，該pfc升壓電路不僅適用于通用電源適配器、開放式電源等傳統領域，還可以應用于新能源汽車充電樁、工業自動化設備等新興領域，具有較高的通用性和靈活性。

53、作為優選，所述sr同步整流電路包括mos管q11、mos管q12以及同步整流芯片u5，所述變壓器t1的次級繞組采用中心抽頭樣式設置，所述次級繞組的中心抽頭端連接到電源輸出端，所述次級繞組的兩個輸出端分別連接到mos管q11和mos管q12的漏極，并分別與同步整流芯片u5的dvs1和dvs2引腳連接，所述mos管q11和mos管q12的源極均接地，形成完整的電流回路，所述mos管q11的柵極連接到同步整流芯片u5的gd2引腳，所述mos管q12腳的柵極連接到同步整流芯片u5的gd1引腳。

54、進一步地，次級同步整流主要是跟隨變壓器次級繞組導通，當mos管的體二極管開始導通時相應同步整流mos管導通，然后在流過其的電流接近零時將其關斷，另一繞組相應mos再導通，以維持輸出，所以需要檢測兩個mos管漏極引腳的電壓來實現兩個mos交替導通。

55、本方案中，采用同步整流技術利用mos管代替傳統的肖特基二極管，顯著降低了導通時的電壓降(v_drop)，從而減少了功耗和發熱，并根據檢測到的兩個mos管漏極引腳的電壓變化，精確控制mos管的導通和關斷，確保兩個mos管交替導通，避免同時導通導致的短路風險。同時通過中心抽頭的設置，使得電流在兩個mos管之間交替流動，優化了電流路徑，進一步提高了轉換效率。

56、作為優選，所述輸入整流模塊包括：連接器j1，所述連接器j1的輸入端連接有浪涌保護電路，所述浪涌保護電路連接有emi濾波電路，所述emi濾波電路連接有整流電路，所述整流電路連接pfc升壓電路。

57、其中，所述浪涌保護電路包括：電源保險絲f1，所述電源保險絲f1連接有金屬氧化物壓敏電阻mov1和氣體放電管gdt1。

58、本方案中，通過emi濾波電路平抑市電當中的噪聲進入到系統內引起不必要的問題、抑制紋波減小電壓電流抖動和防止開關電源產生的噪聲返回到市電當中，同時，通過與電源的輸入端進行連接的電源保險絲f1，吸收或抑制雷擊浪涌等能量用于保護后續電路，防止突發能量將電源或負載設備損毀。并通過連接于emi濾波電路之后的整流電路，將交流電轉化為直流電輸出。

59、進一步地，通過使用llc諧振電路，電源能夠在較寬的輸入電壓范圍內保持較高的轉換效率。llc諧振電路的軟開關功能減少了開關損耗，進一步提高了整體效率。而電源輸入端的浪涌保護電路和emi濾波電路有效抑制了外部干擾，保證了電源的穩定性和可靠性。同時，llc諧振電路的設計也有助于減少電磁輻射，降低對周圍環境的干擾。

60、此外，通過pfc升壓電路的加入提高了輸入電壓，并通過功率因數校正(pfc)技術的應用改善了電網側的電流波形，使得整個電源系統更加穩定可靠。

61、本發明具有如下有益效果：

62、(1)通過控制方法步驟(i)針對給定狀態空間的環境監測數據選定空間方程模型的控制對象，在plc平臺上快速搭建基于狀態空間模型優化控制，基于plc的狀態方程預測控制器的應用可以使得預測控制技術更易于集成和適應工業控制系統，提高系統的可靠性和穩定性；通過步驟(ii)和步驟(iii)能夠通過對plc平臺的實時性、穩定性和控制性的優化使得預測控制能夠更迅速地對系統狀態進行調整，實現更快速的反饋和控制響應，提高工業過程中的實時性，降低系統響應時間，并且使得參數函數和矩陣函數的選取速率以及優化效率；plc平臺的可編程性和矩陣函數外接導入靈活性使得控制器的設計、調整和維護更加簡便，降低了系統的可操作性和維護成本；

63、(2)離線區塊、函數運算區塊和在線區塊是用于可編程邏輯控制器編程以實現模型預測性控制和預測性調整優化的模型預測性控制工程工具，同時導入矩陣參數運算提高對高級過程控制的能力，彌補了plc系統設計無法為高維被控系統提供優化控制方法的問題；

64、(3)通過寫入函數塊和控制參數初始化函數塊進行矩陣函數選擇，能夠快速確定或變更對應控制參數和矩陣控制函數的設計，例如確定特定外部設備的類型和錯誤發生情況是否為周期性或反復性，并針對該設備類型選取對應控制參數和矩陣控制函數，防止函數選擇錯誤而導致plc進入錯誤模式執行命令，具有提高plc系統的控制靈活性和穩定性，并通過減少用戶手動介入以及設備變化變量使得程序系統產生錯誤；

65、(4)離線區塊識別到plc控制柜的工作環境變化時，能夠通過控制模型數據塊和控制器參數數據塊做出相應反應來避免plc控制柜的內部結構或內部元件因環境變化受到破壞，同時根據實時計算函數塊確認plc控制柜的工作環境是否產生異常，并選定相應的狀態控制參數進行參數函數變更和工作狀態矯正，減少工作環境快速變更導致的plc控制柜內部損壞；

66、(5)通過多維度定義狀態空間方程類型，能夠將預測控制技術應用于plc平臺，通過適應plc平臺特性以及對工作環境進行預測，實現對工業自動化更精準、高效、可靠的控制，從而產生效益、資源利用和環保等多方面的積極效果。

67、(6)通過使用llc諧振電路，電源能夠在較寬的輸入電壓范圍內保持較高的轉換效率，減少電磁輻射，降低對周圍環境的干擾。同時，通過輸入端的浪涌保護電路和emi濾波電路有效抑制了外部干擾，保證了電源的穩定性和可靠性，并共同構成了完善的過載和短路保護機制，確保電源在異常情況下能夠迅速切斷電路，防止設備損壞和安全隱患。

68、(7)通過emi濾波電路平抑市電當中的噪聲進入到系統內引起不必要的問題、抑制紋波減小電壓電流抖動和防止開關電源產生的噪聲返回到市電當中，同時，通過與電源的輸入端進行連接的電源保險絲f1，吸收或抑制雷擊浪涌等能量用于保護后續電路，防止突發能量將電源或負載設備損毀。并通過連接于emi濾波電路之后的整流電路，將交流電轉化為直流電輸出。

69、(8)光耦合器u3能夠根據反饋信號調整llc諧振芯片u6的工作狀態，從而實現對次級電壓信號輸出功率的精確控制，提高整個電源模塊的轉換效率。同時，在不同的負載條件下，光耦合器可以實時調整輸出功率，確保系統始終運行在最佳效率點。并提供了電氣隔離，有效減少電磁干擾(emi)，使得變壓器t1初級側和次級側之間的反饋更加安全可靠，避免了直接連接可能帶來的干擾和損壞。