[发明专利]一种扰动感知控制方法

说明书

将先进的信号处理技术融入到PID框架之中来提高其性能，如自校正PID、模糊PID、神经元PID、参数自学习PID、专家PID等。虽然各类改进型PID有效解决了控制器增益参数的在线镇定问题，并提高了非线性控制能力，然而，仍然缺乏强的抗扰动能力。本发明的“一种扰动感知控制(DPC)方法”不仅有效解决了快速性与超调之间的矛盾，而且还具有控制精度高、鲁棒稳定性好、抗扰动能力强、增益参数完全由积分步长来确定等特点。特别是在外部环境发生剧烈变化时也不需要重新镇定DPC的增益参数，完全颠覆了经典控制理论和现代控制理论的控制策略。本发明在电力、机械、化工、轻工以及国防工业领域具有广泛的应用价值。

技术领域

非线性不确定系统控制，控制理论与控制工程。

背景技术

近半个多世纪以来，基于频域设计方法的经典控制(控制论)与基于时域设计方法的现代控制(模型论)独立发展，形成了各自的方法论体系。在控制工程实际中，控制目标与被控对象实际行为之间的误差是容易获取的，也是能够适当加以处理的，因而“基于误差来消除误差”的控制策略的原形，即PID控制器在实际工业控制领域获得了广泛应用。对于实际控制工程问题，由于通常很难给出其“内部机理的描述”，因而基于数学模型的现代控制理论给出的控制策略，在实际控制工程中很难得到有效应用。这就是控制工程实践与控制理论之间延续了半个多世纪而未能得到很好解决的脱节现象。经典控制理论的精髓是根据实际值与控制目标的偏差来产生控制策略，只要合理选择PID增益使闭环系统稳定就能达到控制目标，这是其被广泛采用的原因。然而，科学技术的发展对控制器的精度、速度和鲁棒性提出了更高的要求，PID控制的缺点逐渐显露出来：尽管PID控制能够保证系统稳定，但闭环系统动态品质对PID增益变化敏感。这个缺点导致了控制系统中“快速性”和“超调”之间不可调和的矛盾，因此，当系统运行工况改变时，控制器增益也需要随之变化，而这也是各种改进型PID控制方法如自适应PID、非线性PID、神经元PID、智能PID、模糊PID、专家系统PID等的原始动机。尽管各种改进型PID能够通过在线镇定控制器增益参数来提高系统的自适应控制能力，然而，针对非线性不确定系统的控制问题，现有PID控制仍然无能为力，特别是抗扰动能力较差。此外，PID控制原理是将误差的过去(I)、现在(P)和将来(变化趋势D)进行加权求和来形成控制信号，尽管只要合理选取PID三个增益参数就能施加有效控制，然而，误差以及误差的积分和微分是三个性质完全不同的物理量，将三个不同属性的物理量加权求和不异于将马、牛和骆驼加权求和一样。正因为PID带着内在的不合理性登场，使得国内外从事控制理论与控制工程的专家学者和工程技术人员一直围绕PID参数的镇定问题而付出了数代人的努力。为此，当务之急是研究一种模型结构简单、参数镇定容易、动态品质好、抗扰动能力强的鲁棒控制新方法。

发明内容

本发明“一种扰动感知控制方法”将受控系统动态、内部不确定性以及外部扰动等状态定义为扰动状态，根据期望值与系统实际输出值之间的误差来建立扰动激励下的动态误差系统，进而建立了一种扰动感知控制器(Disturbance Perception Controller，DPC)模型，并证明了DPC不仅具有全局稳定的性能，而且还具有强的抗扰动性能。本发明“一种扰动感知控制方法”不仅完全淡化了线性与非线性、确定与不确定性、时变与时不变性等系统属性的概念，而且DPC的增益参数完全根据积分步长即可镇定，因而有效解决了PID参数镇定的困难，实现真正意义上的智能控制。此外，本发明“DPC”的突出优势主要包括：(1)具有全局稳定性；(2)免参数镇定；(3)结构简单、计算量小、实时性好；(4)响应速度快、无超调、无抖振等动态品质；(5)抗扰动能力强。

附图说明

图1扰动感知控制(DPC)系统模型。

图2非线性不确定系统一的动态性能测试结果，(a)跟踪控制曲线,(b)控制信号变化曲线，(c)跟踪控制误差变化曲线。

图3非线性不确定系统二的动态性能测试结果，(a)跟踪控制曲线,(b)控制信号变化曲线，(c)跟踪控制误差变化曲线。