[发明专利]一种镇定二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

本发明涉及一种镇定二阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器设计方法，用于解决参数调整及寻优困难的问题，包含以下步骤：首先，辨识出对象的二阶惯性加纯滞后模型；然后，根据辨识的二阶惯性加纯滞后模型设计相应的二阶线性自抗扰控制器；接下来利用双轨迹法求得参数稳定域的上界；最后在参数稳定域内通过一种优化算法来获得在给定标准下的最优参数，在所获得的最优参数下，系统能平稳无超调的跟踪参考输入信号。本发明针对二阶惯性加纯滞后的对象，有效的克服了线性自抗扰控制器参数镇定范围不易确定，最优值难寻的困难，使得系统的控制效果稳定且最优。

技术领域

本发明属于过程控制技术领域，具体涉及一种利用双轨迹法和优化算法，逐步获得二阶惯性加纯滞后系统的线性自抗扰控制器的最优参数值，进而在工控机中实现应用的设计方法。

背景技术

工业生产中的时滞现象广泛存在，这使得控制作用不及时，使得控制效果变差而对生产造成一定的损失。由于受到传输设备，测量设备，能量转换设备以及控制对象本身的限制，时滞现象不可避免。当设定值改变的时候，被控变量不能及时跟踪并且稳定在设定值，这样的现象会导致输入和输出之间存在不同步，当被控对象处于有这样时滞现象过程的闭环回路中时，其本身的动态特性会被影响，而且很容易使系统产生震荡，甚至趋于发散，这样的被控对象对控制器设计器设计很不利。不难发现解决时滞问题是控制领域的一大难题。

针对工业生产中的时滞问题，经典的PID控制算法在处理时并不能得到理想的效果。除了PID控制算法外，研究者们也给出了许多新的算法去处理工业生产中的时滞问题，比如史密斯预估器，内模控制，预测控制，模糊控制等等。这些方法大多依赖具体的模型，如果所获得的模型不准确，会给控制系统的控制性能带来一定的挑战，特别是安全性问题。其中一些控制算法虽然对模型的依赖性比较低，但是在选择其稳定的参数时有一定的困难，或者一些控制算法的复杂性使得其在实际工业过程中的应用相对困难。

自抗扰控制思想在20世纪90年代由韩京清研究员提出，自抗扰控制继承了PID不需知道模型的优点，并通过扩张状态观测器估计总扰动后进行实时补偿，来减少扰动对控制性能的影响。后经过发展，由高志强教授提出线性自抗扰控制器，并提出带宽参数化的理论，使得自抗扰控制的工业应用得到了很好的推广。二阶线性自抗扰控制器是一类常用的自抗扰控制器，其结构如图3，其中这包括扩张状态观测器和线性状态误差反馈控制器，扩张状态观测器是一个两输入三输出的模块，两输入为被控对象的输入u(t)和输出y(t)，三输出为所估计的被控对象的状态z₁，z₂和系统的总扰动z₃，线性状态误差反馈控制器是一个三输入一输出的模块，输入为，z₁，z₂和z₃，输出为u₀(t)。基于不需知道模型以及抗扰性强等优点，针对二阶惯性加纯滞后系统的被控对象的控制，二阶线性自抗扰控制器有不错的效果，但其参数调整及寻优是一个复杂的需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对一个二阶惯性加纯滞后系统设计二阶线性自抗扰控制器，并以此获得整个闭环系统的传递函数；根据获得的闭环传递函数，来获得其闭环特征方程，并将闭环特征方程根据要求转化成相应的形式，即等式两边一边为不含非线性环节的表达式，一边为含有纯超前环节的表达式。根据双轨迹法，对等式两边的表达式的奈奎斯特轨迹进行分析，以求得闭环系统中的参数稳定域。获得参数的稳定域后，再在参数稳定域范围内采用一种优化算法来寻找在需要的性能指标下系统最优的参数值，从而更准确镇定该系统而且获得更优的性能。该方法针对任意给定的二阶惯性加纯滞后系统都能获得相应的最优参数的二阶线性自抗扰控制器，实现对二阶惯性加纯滞后系统的控制。