[发明专利]一种时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统及方法

权利要求书

1.一种针对时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统，包括与时滞工业生产过程连接的现场仪表、集散控制系统DCS、以及时滞补偿控制服务器，所述的时滞工业生产过程指工业中控制器输出存在时滞的过程；所述的集散控制系统DCS由数据接口、操作员站、工程师站、显示画面、数据库及OPC服务器构成；现场仪表、集散控制系统DCS、时滞补偿控制服务器依次相连，其特征在于：所述的时滞补偿控制服务器包括：

OPC客户端及数据接口模块，用于从集散控制系统DCS采集数据，并通过ADRC-PD补偿控制器对数据进行处理，并将其传送到集散控制系统DCS中，实现时滞工业过程的闭环控制；

ADRC补偿模块，是根据辨识模型及自抗扰控制器的扩张状态观测器对系统中的干扰和非线性部分设计的一个补偿控制模块；

PD控制模块，是根据闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，优化设计的比例-微分控制器模块；

所述时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统的实施方法，包括以下步骤：

(1)根据大时滞工业生产过程，使用开环辨识方法，辨识出如式(1)所示的单变量时滞过程的SOPDT传递函数模型；

其中b，T₁和T₂为模型参数，τ为系统时滞；

(2)根据对象的传递函数模型和ADRC扩张状态观测器设计原理，设计时滞过程的补偿模块；

(3)以闭环混合灵敏度H∞范数最小为指标，利用ParticleSwarmOptimization(PSO)优化方法，优化设计出ADRC补偿模块和PD控制器模块的参数；

(4)利用OPC客户端及数据接口模块，从集散控制系统DCS中读取数据并将ADRC-PD控制器输出到集散控制系统DCS中实现时滞工业生产过程的闭环平稳控制；

所述ADRC补偿模块的特征在于：

对于一个带滞后的广义二阶动态系统，其扩张状态方程为：

其中X＝[x₁，x₂，x₃]^T为系统的扩张状态，u(t)为控制作用，τ为系统时滞，w(t)为外部扰动，f(x₁(t)，x₂(t)，w(t))为总和扰动，y(t)为系统输出；定义时滞广义二阶动态系统的扩张状态观测器为：

其中β₀₁，β₀₂，β₀₃为ADRC-PD控制器参数，e表示均方误差，Z₁、Z₂、Z₃为扩张状态观测器的状态定义；从(3)中可以得出在频域内系统的加速度量z₃(s)为：

由(1)结合(4)可得z₃(s)的近似估计为

其中，T₁、T₂为模型参数；

对滞后部分使用pade一阶近似：

假定模型对滞后的辨识准确，则ADRC-PD控制器的形式如下

u(s)＝G_{_PD}(s)(r-y(s))G_m(s) (7)

G_{_PD}(s)＝k_p+k_ds (8)

其中G_m(s)是ADRC补偿模块，G-_PD(s)是比例-微分控制器模块,β₀₁，β₀₂，β₀₃，k_p，k_d是ADRC-PD控制器参数，r为控制输入量；由(7)可以看出，ADRC-PD控制器不再有状态观测器，而只包含一个简单的滞后系统补偿模块G_m(s)，易于实现，达到了控制系统简化的目的。

2.根据权利要求1所述的一种时滞过程的ADRC-PD补偿控制系统，所述实施方法中，以混合灵敏度H_∞范数最小为指标，优化设计ADRC补偿模块和PD控制器模块的参数的特征在于：

对采用ADRC-PD控制器的闭环控制系统的灵敏度函数S和补灵敏度函数T的定义如下：

其中，G_m(s)是ADRC补偿模块，G-_PD(s)是比例-微分控制器模块，G_p(S)单变量时滞过程的SOPDT传递函数模型；

(12)所示的H_∞混合灵敏度范数最小优化得到ADRC-PD控制器参数β₀₁，β₀₂，β₀₃，kp，k_d；

其中W_S表示灵敏度权函数，W_T表示补灵敏度权函数，优化算法采用PSO寻优方法。