[发明专利]基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，包括抗饱和内模控制系统结构和补偿器设计方法，主要应用于控制工程领域。

背景技术

在实际的工业控制中，输入饱和现象是普遍存在的。例如，带有阀门的管道流量，最大只能到达阀门开度为100％的流量值，无法突破；再例如，泵能够输出的流量，最大只能达到泵转速最大时的流量值，这也无法无限制的增加。种种实际案例表明，在工业中普遍含有输入饱和现象。

然而，输入饱和现象，对于控制系统控制效果的影响的是不可忽略的。这是因为，输入饱和现象的存在，导致控制器的输出与对象的输入不相等，使得对象的输出要慢于控制器预期的输出，控制效果变差。如图2的曲线2和曲线3，可以发现，当对象出现输入饱和现象(如曲线2)时，对象输出的斜率是有限制的，小于无输入饱和现象的输出曲线(如曲线3)，以至于对象输出的调整时间变长，控制性能下降，这就造成实际工业过程中原料的浪费增加，污染物排放增加。

针对具有输入饱和现象的控制系统设计与改进，前人已经有了一定的研究成果。而基于内模控制系统的抗饱和策略，应用较为广泛的是Kothare等在“A Unified Framework for the Study of Anti-Windup Designs.Control and Dynamical System.1993”中提出的，主要思想是通过对饱和结构进行补偿，提出了抗饱和无扰动转换(AWBT)结构，用以减小饱和带来的影响。上述这两种方法是目前大多数抗饱和内模控制器设计的基础。

就基于补偿思想的抗饱和控制的专利方面，王景成等在2005年发表了“误差反馈抗饱和静态补偿控制器及补偿器的确定方法”(申请号：200410066784.4)。该发明利用Mulder等在“Multivariable anti-windup controller synthesis using linear matrix inequalities.Automatica.2001,37:1407-1416”发表的基于线性矩阵不等式进行AWBT结构设计的基础上，增加误差反馈回路，改善控制器的控制效果。

然而，现有的抗饱和控制技术仍存在一些缺点。首先，基于线性矩阵不等式的AWBT抗饱和控制策略，主要以状态空间模型为研究基础，对于工程师的理解较为困难。其次，上述方法需要建立线性矩阵不等式，过程复杂，且要保证理想的控制效果需要有精确的被控对象模型。再次，王景成等通过手动调整设计补偿器，难以保证对象输出达到最优。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种抗饱和的内模控制系统结构和设计方法，该方法主要依据静态补偿的思想进行抗饱和补偿器的设计。该结构是在已有的内模控制结构基础上，增加了3个静态补偿回路；同时采用智能优化算法，确定3个补偿回路中补偿器的参数。

基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，按照传统内模控制器方法设计内模控制器Q，构成基础的内模控制回路；

第二步，观察控制器输出和对象输入，判断控制器输出是否超出对象输入饱和范围，若超出，则在已经设计好的内模控制回路上增加3个静态前馈补偿回路，在这3个补偿回路中，分别含有3个静态补偿器，即

(1)输出静态前馈补偿器K₁，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的动态过程中，实际输出比预期输出减小的部分；

(2)输入静态前馈补偿器K₂，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输出大于对象输入的部分；

(3)偏差静态前馈补偿器K₃，该补偿器补偿了由输入饱和现象引起的控制器输入偏差增大的部分；

第三步，通过任意智能优化算法来确定静态补偿器K₁、K₂、K₃的参数数值。

下面首先分析输入饱和现象对对象输出响应y的影响，该分析方法不只局限于抗饱和内模控制结构。输入饱和现象对系统动态性能的影响主要是在控制器输出u超出对象输入饱和范围[u_l,u_u]的阶段。其中，u_l和u_u分别表示输入饱和值的下限和上限。此时，对象输入u’不等于控制器输出u，而是等于输入饱和值。而一旦控制器输出u在对象输入饱和范围内时，对象的输入u’就等于控制器输出u。