[发明专利]基于模糊PID的改进型Smith预估补偿系统的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊PID的改进型Smith预估补偿系统的控制方法。本发明通过采用Smith预估器解决温控系统中大滞后问题，并采用先进控制算法中的模糊PID控制算法来改善Smith预估器对模型精度的依赖，从而提高系统的抗干扰能力。仿真实验表明了Smith预估模糊PID控制方法相比于模糊PID控制方法，减少了系统的超调量，加强了系统的稳定性与控制效果。

技术领域

本发明具体涉及一种基于模糊PID的改进型Smith预估补偿系统的控制方法。

背景技术

在石油化工、塑料成型、机床制造、航天工业等生产工业对温度的控制都有很大的控制要求。根据了解可知目前大多数温度控制系统中普遍存在大时滞、非线性、时变性等特点，为了达到工艺要求的温度设定值，需要控制的温度在没有超调的情况下能够以很快的速度达到温度设定值，并且需要具有一定的稳定性。

目前针对温度控制系统的特点，常用的PID控制器对误差的微分信号不能完全解决，当初始的误差很大，很容易产生超调，使得整体的控制效果不佳。对于具有精确和稳定的模型，Smith预估器能够消除滞后因素。在工程实践中，通常采用经典的PID控制算法或者增量型PID算法。

本发明基于Smith提出的纯滞后补偿模型，着重研究Smith预估控制空气源热泵温度控制系统中的应用，达到提高系统控制的动态品质。

发明内容

发明目的：针对温度控制系统具有大时滞、非线性、时变性等特点，本发明提出了一种基于模糊PID的改进型Smith预估补偿系统的控制方法。

技术方案：一种基于模糊PID的改进型Smith预估补偿系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、设计位置型PID控制器并给定PID控制器初始值；

步骤二、PID控制器根据模糊控制器的输出不断修改PID控制器K_p、K_i、K_d值；

步骤三、由于温控系统在能量或信号的延迟，因此在该系统的反馈通道加入延迟因子的预估部分：首先估计出控制过程在基本扰动下的动态特性，然后经过预估器进行补偿；被延迟的调节量超前反馈到调节器，从而实现调节器提前动作，进而实现减小超调量和加速调节过程的目标。

作为优化：所述的步骤三中，在温控系统中，由于被控对象存在的滞后环节，导致被控对象的延时反馈控制系统存在波动，在被控对象的动态特性分析中，当系统中的时滞τ与过程惯性时间参数T满足τ/T＞0.3时，则为大滞后控制系统；

当控制系统中控制器仅用PID控制，则有PID控制器输出U(s)到被调量Y(s)之间的传递函数为：

上式表明，被调节量受到调节作用之后经过迟延后才能再到达PID调节器,迟延时间为τ；如果加入补偿控制，PID控制器输出与返回到PID控制器的信号之间的传递函数为：

所以，当被控对象的G_p(S))和e^-τs环节已知时，史密斯预估器就可以组成，史密斯预估器将消除迟延对系统过渡过程的影响，使控制过程品质与无延迟效果一样；

此时，系统的特征方程中并不包含时滞因子e^-τs，能够有效减小系统的超调量，从而提高系统的稳定性，消除了纯迟延τ,对系统控制品质的影响，分子上的e^-τs项说明被调量y(t)的响应比设定值延迟了时间τ；

因此，斯密斯预估控制原理是与调节器的传递函数D(S)并接一补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，补偿环节称为预估器，其传递函数为G_p(S)(1-e^-TS)，T为纯滞后时间，因此在对被控对象控制模型进行补偿后的系统框图中；