[发明专利]一种基于内模结构的分数阶控制器参数优化设计方法

说明书

本申请将内模控制策略引入到分数阶控制器参数整定中，可在一定程度上克服分数阶控制器参数整定的复杂性，同时改善了整个系统的控制品质。针对一类分数阶被控对象，给出一种分数阶内模TIsupgt;λ/supgt;Dsupgt;μ/supgt;控制器的设计方案。首先对原被控对象模型进行降阶处理，得到二阶分数阶延时系统模型，然后，将内模控制策略引入到降阶模型，针对降阶模型设计分数阶内模控制器Gsubgt;c/subgt;(s)，再将Gsubgt;c/subgt;(s)与本发明构造的分数阶TIsupgt;λ/supgt;Dsupgt;μ/supgt;控制器的结构形式进行参数对照，能够清晰得出参数间的对应关系，从而得到分数阶内模TIsupgt;λ/supgt;Dsupgt;μ/supgt;控制器参数。本发明将内模控制优势融入到了分数阶TIsupgt;λ/supgt;Dsupgt;μ/supgt;控制器参数整定中，降低了其参数整定的复杂性，并改善了系统控制品质。

技术领域

本申请涉及先进控制领域，特别涉及一种基于内模结构的分数阶控制器参数优化设计方法。

背景技术

分数阶微积分理论是将普通意义下的微积分运算的运算阶次从整数阶推广到分数和复数的情况。分数阶微积分因其阶次灵活性，被广泛应用于工程实践中，特别是在信息科学领域中，一些新颖的应用被相继提出和实现，如系统建模、信号滤波、模式识别、图像边界提取等。值得指出的是分数阶微分算子具有积分效果，因此，分数阶微分算子不但能够作为相位超前补偿器，同时能够起到噪声整形功能。因此，本发明将分数阶微积分理论与传统TID控制相结合，给出一种分数阶的内模控制器设计思路和方法的有效性说明。

传统的分数阶控制器参数整定方法主要有幅值裕量与相位裕度法、主导极点法、优化方法等。基于幅值裕量与相位裕度法是通过求解幅值裕量与相角裕度方程来求取分数阶控制器参数的，由于该方法可列写出三个方程，因此求解五个参数是比较复杂的，通常可用此方法来设计分数阶控制器或分数阶控制器。主导极点法，是根据系统的时域性能指标来设计一对主导极点，但是受到其它零极点的影响，所设计的这对极点不一定就是主导极点，而且采用这对主导极点一般也只能解出三个参数，同样此方法适合设计分数阶控制器或分数阶控制器。而基于优化方法设计分数阶控制器是目前研究的热点，该类方法能够有效解决分数阶控制器参数整定的复杂性以及计算量大的问题，但优化方法的收敛性、快速性有时并不能满足系统控制的精确性、实时性要求。

内模控制是基于数学过程模型进行控制器设计的新型控制方法，具有结构简单、在线调节参数少、鲁棒性强等优点，从而使其在工业控制中得到广泛应用。

发明内容

本发明针对分数阶控制器参数计算量大、待求解参数多等不足，将内模控制与分数阶控制器参数整定相结合，给出一种分数阶内模TI^λD^μ控制器设计方案。本发明所给出的方法在一定程度上克服了以往分数阶控制器参数整定的复杂性，且整个系统的控制性能也有所提高。在分数阶TI^λD^μ控制器的设计过程中，本发明采用最基础的单回路单位负反馈作为整个控制系统的构架，同时采用内模控制策略进行分数阶控制器的设计。文中所给出的分数阶内模TI^λD^μ控制器设计方案的合理性和有效性在仿真对比和数据分析部分都到了验证。

本申请实施例公开了一种基于内模结构的分数阶控制器参数优化设计方法，内模控制中反馈控制器G_c(s)可通过内模结构中C(s)与M(s)结合而成：

首先在TID控制器的结构上作改进，不仅用分数阶环节取代比例环节，同时也用分数阶环节取代微分、积分环节，最终得到分数阶TI^λD^μ控制器，该控制器传递函数可表示为：