[发明专利]一种对一类高阶系统的改进自抗扰控制方法

说明书

本发明提出一种对一类高阶系统的改进自抗扰控制方法，属于自动控制技术领域。该方法将实际被控对象采用一阶惯性环节串联的高阶系统进行描述；通过补偿算法对高阶系统上一个计算步序的输入值进行补偿，得到当前计算步序的补偿值；将高阶系统当前计算步序的输出值和当前计算步序的补偿值进行ESO计算，得到高阶系统下一个计算步序的输出值的跟踪值和输出值的一阶导数的跟踪值，进而得到高阶系统下两个计算步序的输入值，同时高阶系统根据计算结果实时调整执行机构的变化量。该方法还能应用于对一类高阶系统的改进二阶自抗扰控制方法的实施。本发明能够更好地兼顾闭环系统的跟踪能力与抗干扰能力，具有很好的控制品质。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种对一类高阶系统的改进自抗扰控制方法。

背景技术

目前包括化工过程、热工过程等工业过程控制中的控制策略仍以比例-积分控制(Proportional-Integral Controller,PI)和比例-积分-微分控制(Proportional–Integral–Derivative,PID)为主，这主要由于PI/PID具有简单易实现、参数整定方法多等特点。然而随着对工业生产过程中经济性和控制品质的要求越来越高，使得PI/PID很难满足目前的控制要求。自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)技术是中科院韩京清研究员提出的一种控制方法。目前ADRC在在磨煤机出口风温控制、炉膛负压控制等实际现场中得到成功应用，这为ADRC在工业控制中的广泛应用奠定了很好的基础。

热工过程中如过热汽温系统、主蒸汽压力系统等具有表达式如的典型由一阶惯性环节串联的高阶系统，上式中s、k、T和n分别为微分算子、高阶系统的增益系数、时间常数和阶次，且n≥3，Y(s)、U(s)分别为高阶系统的输出和输入。以主蒸汽压力系统为例的高阶系统，上式中各参数的含义为：输出Y(s)是主蒸汽压力系统的压力输出值，输入U(s)是机组给煤的量，增益系数k是指高阶系统对输入值的放大倍数，输入值为1吨煤对应主蒸汽压力变化量，时间常数T是指系统响应达到稳态值的63.2％时所需要的时间。

对于上述高阶系统，标准一阶ADRC方法的实现流程如图1所示，包括以下步骤：

1)将被控的实际工业对象采用由一阶惯性环节串联的高阶系统进行描述，数学表达式如下：

其中，高阶系统的输出Y(s)和输入U(s)在每个计算步序中分别用y(Γ)和u(Γ)表示，Γ表示计算步序，s、k、T和n分别为微分算子、辨识的高阶系统的增益系数、时间常数和阶次，且n≥3；式中增益系数、时间常数根据不同被控的实际工业对象确定，典型的如火电机组的主蒸汽压力回路，其增益系数一般在0.01～0.1的范围内，时间常数一般30～50范围内；

2)设高阶系统当前计算步序的输入值和输出值分别为u(Γ)和y(Γ)，在实际应用中采用欧拉法离散，获得可数字实现的ADRC，离散化过程中采用的欧拉离散算法如下：

其中Γ表示计算步序，h代表采样步长，代表变量x的一阶导数；

将高阶系统上一计算步序的输出值y(Γ-1)和高阶系统上一计算步序的输入值u(Γ-1)共同采用扩张状态观测方法(Extended State Observer,ESO)进行实时计算，得到高阶系统当前计算步序输出值y(Γ)的跟踪值z₁(Γ)和输出值y(Γ)的一阶导数的跟踪值z₂(Γ)，其中z₂(Γ)为高阶系统所受总扰动当前计算步序的观测值；

z₁(Γ)和z₂(Γ)的计算表达式如下：

其中，β₁、β₂和b₀为计算系数，Γ表示计算步序，h代表采样步长；