[发明专利]一种时滞系统的Smith互耦PI协同控制理论新方法

说明书

大时滞过程因其信息反馈不及时，从而导致基于反馈信息的控制器对该类系统显得无能为力。针对大时滞系统的控制问题,发明了一种Smith互耦PI(SMCPI)协同控制理论新方法。该方法的主要特色与创新点是：根据时滞对象的标称参数来构造Smith标称预估器，将其与时滞对象相结合形成了无时滞的惯性系统，原创性设计了SMCPI协同控制力模型，并根据标称时间常数和时滞来整定中心速度因子，分析了SMCPI控制系统的全局鲁棒稳定性。数值仿真结果表明了在各种模型参数存在时变的摄动情况下，本发明的控制方法都能获得良好的动态品质和稳态性能，因而是一种有效的控制方法,在时滞系统控制领域具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种时滞系统的控制方法，尤其是涉及一种Smith互耦PI(SmithMutual Coupling Proportional-Integral，SMCPI)协同控制理论新方法。

背景技术

在石油、化工、冶金、核反应堆、废水处理等工业过程中广泛存在时滞现象。而这些工业过程往往可以简化为一个或多个一阶加纯滞后系统。由于时滞现象的存在,系统在时滞期间内一直处于无效输出(假设无效输出为y＝0)，因此，在时滞期间内，跟踪误差e₁＝y_d-y＝y_d一直处于最大值，很容易因积分饱和引起整个系统出现超调大、响应时间长、甚至还可能出现振荡现象或者不稳定现象,给时滞系统控制器的设计带来了很大挑战。针对时滞系统的控制难题,PI控制和自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Controller,ADRC)一直是主要控制方法。近年来主要使用忽略时滞环节的方法、或将时滞环节用一阶惯性环节近似的方法、或输入预测方法以及输出预测方法等四种控制方法。然而，这四种方法只适用于比较小时滞的对象。由于大时滞对象在较长时间内无有效输出,因而致使ADRC中观测器的两个输入y和u不同步。为此,有学者将控制信号u延迟后再进入扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)来实现与y的同步。然而，该方法对跟踪设定值初期改善效果不明显，特别是当时滞时间未知时，该方法难以实现y和u的同步问题。为了解决同步问题,有学者提出将Smith预估和ADRC相结合的预测自抗扰控制器(PADRC)。该方法给出了确保系统稳定的最大时滞摄动范围,为大时滞系统的控制提供了一定的理论指导。此外，针对大时滞系统的控制问题,有学者还提出了一种联合算法，即将PADRC算法和ADRC输入时滞改进算法通过相应的权重结合起来，在不同阶段，系统对应两种算法的不同权重,从而实现抗扰阶段以ADRC输入时滞改进算法为主，而跟踪阶段则以PADRC为主的控制策略。然而，在联合算法中权重系数的确定还缺乏有效的理论依据，而且待整定的参数较多,在实际应用中存在明显的局限性。针对大时滞系统的控制问题,也有学者采用预测控制来实现对输出进行提前预报以弥补信息不及时的问题,从而实现一种既有主动补偿总扰动又有信息预估的预测自抗扰控制器。然而，该控制方法结构复杂，计算量较大。针对ADRC在时滞系统稳定域求解问题,有学者基于双轨迹法获得了LADRC对一阶时滞系统的稳定域,分析了时滞系统模型参数、观测器和控制器带宽比对稳定域的影响。然而，该方法获得的稳定域裕度只有很小的适定范围，且对时滞系统的控制性能十分敏感，稳定域的微小变化(如0.005)即可能引起系统不稳定。此外，该方法的响应速度很慢，对于时滞时间τ＝60s的被控对象，需要6000秒左右才能进入稳定状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，发明一种模型结构简单、响应速度快、动态品质好、控制精度高、时变鲁棒性好的Smith互耦PI协同控制理论新方法。

设时滞系统的时滞时间、系统时间常数和系统增益的标称参数分别为τ₀、T₀和K₀，本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种Smith互耦PI协同控制理论新方法，包括如下步骤：

1)根据时滞系统已知的标称时间常数T₀和标称时滞τ₀，建立系统的过渡过程时间T_r为：