[发明专利]一种镇定一阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器设计方法

说明书

本发明公开一种镇定一阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器设计方法，包括以下步骤：步骤1、辨识出被控对象的一阶惯性加纯滞后模型；步骤2、将辨识出的模型参数输送到一阶线性自抗扰控制器参数计算单元，由一阶线性自抗扰控制器的稳定集合求解算法给出能够保证一阶惯性加纯滞后系统稳定的控制器稳定集合；步骤3、根据需要在控制器的稳定集合中选取控制参数，并执行一阶线性自抗扰控制过程。采用本发明的技术方案，克服现有一阶惯性加纯滞后系统的自抗扰控制研究中，控制器参数初始范围难确定、不易整定的不足缺点，可以实现系统的稳定控制。

技术领域

本发明属于过程控制技术领域，尤其涉及一种镇定一阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器设计方法，进一步涉及一种用于具有时滞的工业过程控制系统的自抗扰控制器设计方法。

背景技术

时滞作为一种常见的物理现象，在工业过程和生产生活中随处可见，例如管道对油气的输送、线缆对信号的传递、锅炉的燃烧等过程。这一类过程具有的共性即被控量不能立即对控制量的作用做出反应，这样的特点决定了被控对象输入与输出之间不同步的开环特性。而当这样的对象处在一个闭环控制回路中，其本身具有的开环特性会对整个闭环动态产生更为严重的影响，例如产生强烈的振动或者使整个系统发散，这对控制的设计是十分不利的。直至今日，受传输介质、能量转换或量测装置等因素的限制，时滞在工业过程中依旧是一个不可回避的问题。

在充分分析并了解被控对象特性和生产需要的基础上，各类控制手段应运而生。传统的控制方法如Smith预估控制、预测控制、内模控制等利用模型信息来改善对时滞系统的控制质量。近年来一些智能控制算法也在时滞系统的控制中逐渐兴起，它们通过对生物或者人类的行为进行模拟来获得理想的控制效果，如模糊控制、神经网络、遗传算法等。在繁多的控制方案前如何全面了解其特性，或者从安全的角度上看，如何保证其在工业生产过程中的绝对安全是保障工业良好快速发展的重要因素。那么把安全这一考量放到控制领域里来看，我们要做的工作就是尽最大可能保证控制系统的稳定，这也是控制设计的最基本要求。

由于时滞存在的客观性，时滞不可能从根本上进行消除。传统的控制方法多为对时滞进行补偿或者预测来改善控制的质量，而这些方法均在不同程度上对系统模型存在依赖。这导致了当模型存在误差或者系统存在扰动时，控制器鲁棒性和抗扰性较差的特点。而对于智能控制算法，虽在一定程度上可以摆脱对系统模型的依赖，但如何对其稳定性定量分析存在着一定的困难。

自抗扰控制器作为一种新型控制器，继承了PID不依赖于模型和以误差驱动的优点，通过引入估计扰动的扩张状态观测器，实现对扰动的补偿，从而达到抗扰的目的。由于自抗扰控制是一种不依赖被控对象精确模型且抗扰性较强的一种控制方案，从稳定的角度来看，这为镇定时滞系统带来极大便利。综上，如何在工业过程中设计简单的自抗扰控制器以保证具有时滞的被控对象稳定并给出控制参数的稳定域范围是一个尚未解决且对工业控制起着重要作用的研究问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有一阶惯性加纯滞后系统的自抗扰控制研究中，控制器参数初始范围难确定、不易整定的不足，提出一种镇定一阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器设计方法，首先求得由线性自抗扰控制器与一阶惯性加纯滞后环节所组成控制系统的闭环传递函数，然后得出该控制系统闭环传递函数的特征方程。接着将闭环特征方程恒等变换为满足双轨迹的表达形式，然后利用双轨迹法求得满足闭环控制系统稳定的控制器参数稳定域。只要在所获得的线性自抗扰控制器稳定域内选取参数的值，都能够保证一阶惯性加纯滞后系统稳定，从而更准确地镇定该系统。该方法是一种通用的解析设计方法，对于任意给定的一阶惯性加纯滞后模型，都能够快速、有效和准确地给出控制参数稳定域，从而可通过在该稳定域中进行参数的选取和调节实现良好的控制效果,让用户最简单化地完成控制器设计。