[发明专利]一种基于模糊算法的Smith预估器参数估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于模糊算法的Smith预估器参数估计方法，尤其是针对基于PID控制的时滞系统。

背景技术

作为表征物体冷热程度的物理量，温度在国民生产各领域起到了至关重要的作用。由于温度是典型的具有大惯性环节的时滞过程，因此，在工业领域中温度控制系统是最为常见同时也是使用最为广泛的时滞系统，例如，冶金、石油分馏等。

温度控制是指使被控对象在控制规律作用下从某一起始温度平稳地、准确地过渡到目标温度，并保持被控对象的温度相对稳定。在众多的温度控制方法中，PID控制方法是应用最为广泛、控制性能最佳的温度控制方法。由于PID控制具有超调量大、稳定时间长等缺点，这限制了PID控制在温度控制系统的进一步应用与扩展。针对以上缺点，J.M.Smith于1957年提出Smith预估器预估补偿方法。该方法是依据被控对象的温度变化机理而设计的控制方法，主要是在PID控制反馈回路中引入一个与被控对象数学模型完全一致的预估补偿环节。这使得系统闭环特征方程中不含纯滞后项，并且完全消除了滞后环节对PID控制质量的影响。自从Smith预估器预估控制方法被提出以来，近几十年以来许多学者在该领域进行了广泛而深入的研究。迄今为止，Smith预估器预估控制仍被认为是提高时滞过程的准确性和稳定性的最为有效途径。

Smith预估器预估控制是基于被控对象的精确模型来设计的。因此，对于缺乏精确模型、参数时变或具有大惯性环节的时滞系统，Smith预估器预估控制方法很难达到令人满意的控制效果。为改善Smith预估器预估控制的控制效果，许多学者致力于研究影响Smith预估控制的因素，其中参数失配对控制质量产生的影响尤为显著。迄今为止，Smith预估器与被控对象实现参数精确匹配的问题始终没有得到解决。因此，研究一种基于模糊算法的Smith预估器参数估计方法对于提高PID控制的准确度与快速性，拓展PID控制方法的应用与发展，提高时滞过程的控制质量具有重要的实际意义。

发明内容

本发明设计了一种基于模糊算法的Smith预估器参数估计方法，以时滞系统的输出与输入实时估计Smith预估器的比例系数K_p(t)以及滞后环节参数τ(t)，并使得Smith预估器与被控对象匹配；适当分段惯性环节系数T(t)，利用惯性环节系数T(t)和在不同惯性环节系数T(t)下的时滞系统的输出建立模糊算法模型，实时地估计惯性环节系数T(t)，提高Smith预估器与被控对象的参数匹配性。与被控对象匹配的Smith预估器可以有效的提高PID控制的控制质量和准确性，提高基于PID控制的被控对象的稳定性。

本发明的具体步骤为：

S1，设计时滞系统比例参数K_p(t)实时估计算法，该算法为估计Smith预估器比例参数K_p(t)提供参考。比例参数K_p(t)的估计表达式为：

式中，T_i(t)为t时刻时滞系统的实时输出，T_B(t)为t时刻时滞系统的实时输入，为N次实验下时滞系统的实时输出总和，N×T_B(t)为N次实验下时滞系统的实时输入总和；

S2，设计时滞系统滞后环节参数τ(t)实时估计算法，该算法为估计Smith预估器滞后环节参数τ(t)提供参考。滞后环节参数τ(t)的估计表达式为：

τ(t)＝τ(t-1)+Δτ(t)

式中，τ(t-1)为t-1时刻滞后环节参数，Δτ(t)为t时刻滞后环节参数修正值；

S3，建立惯性环节系数T(t)模糊算法模型，该模型为估计Smith预估器的惯性环节系数T(t)提供参考。

惯性环节系数T(t)模糊算法模型采用“先粗辨，再精辨”的逐次辨识法，即先在全范围内初步确定惯性环节系数T(t)所处的子区间，然后利用模糊算法模型对惯性环节系数T(t)进行高精度辨识。辨识方法如下：

①将被控对象的惯性环节参数T(t)在全范围内分为若干子区间，初步确定其所在的区间；分为5～300内分为6个子区间，即区间1(5～21)、区间2(21～41)、区间3(41～81)、区间4(81～121)、区间5(121～201)、区间6(201～300)，初步确定其所在区间。