一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，首先将UDE控制系统各模块传递函数归一化，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标确定滤波器参数；推导出系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后

A design method of UDE control system based on iterative feedback tuning

This invention discloses a design method of UDE control system based on iterative feedback tuning. Firstly, the transfer function of each module of UDE control system is normalized, and the filter parameters are determined by integrating the minimum integral absolute error value of the closed loop bandwidth and the disturbance step change, and the system robust index Mst and the controller normalization are derived. Parameter x and normalized time lag

【技术实现步骤摘要】
一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法
本专利技术涉及工业过程控制
，尤其是一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法。
技术介绍
大型工业过程控制中由于存在未建模动态、参数变化以及各类未知扰动，通常无法获得良好的控制效果。为解决这一问题，钟庆昌于2004年提出不确定扰动估计控制器，其主要思想是将模型不确定性和外部扰动处理成一个扰动集总项，利用一个具有合理带宽的滤波器估计并同时消除该扰动集总项。由于UDE控制具有低阶次、二自由度、设计简单等特性，其在鲁棒性提升和扰动抑制等方面显示出了广阔的发展前景。但是这种原始的UDE设计在处理带有时间滞后的工业过程时性能明显下降，基于此，有人修正了原有的UDE控制，提出了适用于时滞系统的修正不确定扰动估计控制，使UDE控制得到更广泛的应用。然而，从现场得到被控过程的准确模型一般是十分艰难且费时费力的。因此，本专利技术考虑在过程模型未知的情况下，采用数据驱动的方法来进行模型辨识及控制系统的设计。数据驱动控制的研究也是当今新兴的一个热点，现有的数据驱动控制主要有迭代反馈整定(Iterativefeedbacktuning，IFT)方法，虚拟参考反馈整定方法(Virtualreferencefeedbacktuning，VRFT)，基于相关性的整定(correlation-basedtuning，CBT)方法。其中，IFT方法是直接最小化闭环输出和期望输出的差值优化模型参数，设计最为简单。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，能够在完成特定的闭环实验的情况下同时完成模型参数辨识与控制器参数整定。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，包括如下步骤：(1)将UDE控制系统各传递函数归一化，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标确定滤波器参数；(2)拟合出系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后的经验公式；(3)对独立UDE控制结构，做3个IFT迭代实验，根据实验记录的相关信号，利用IFT算法优化对象名义模型，更新参数向量，直至参数向量不再明显地变化，则算法停止，否则继续步骤(3)；(4)根据优化得到的对象名义模型，选择参考模型参数，再根据经验公式结合给定鲁棒指标Mst计算得到控制器参数，完成UDE控制系统的设计。优选的，步骤(1)中，采用系统在单位设定值阶跃下的积分绝对误差值IAEsp和系统在单位输入阶跃扰动下的积分绝对误差值IAEld分别作为系统的设定值跟踪性能指标和扰动抑制性能指标，积分绝对误差定义为：首先进行传递函数的归一化，令s'＝τs，Tf＝λτ，其中Tf是滤波器系数，Ke是误差反馈增益,是归一化时间滞后，被控对象名义模型为名义情况下，系统输出为其中c为期望输出，Tm为参考模型跟踪时间常数，设定值跟踪性能指标IAEsp/τ只与有关，扰动抑制性能指标值IAEld/k/τ与χ、λ、有关。优选的，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标，选择滤波器归一化参数λ为1；兼顾鲁棒性和输出性能考虑，选择Tm＝τ。优选的，系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后的经验公式推导过程具体步骤如下：系统灵敏度函数S(s)，补充灵敏度函数T(s)分别为选取鲁棒指标为系统的鲁棒性只由λ,χ决定；选定λ＝1后系统Mst只与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后相关；通过改变χ和计算对应的Mst值，再利用曲线拟合技术，得到系统鲁棒指标Mst与参数χ和的关系式。优选的，控制器归一化参数χ与鲁棒指标Mst和归一化时间滞后的关系式为：其中，优选的，步骤(3)中，利用IFT算法优化对象名义模型具体步骤如下：(31)设定初始参数向量ρ0＝[k0T0τ0]T，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标，选择合适的滤波器参数λ；(32)对独立UDE控制结构，做三次IFT实验，分别记录三次实验的输出量信号和控制量信号(yi1,ui1)，(yi2,ui2)，(yi3,ui3)；(33)计算和以及其中为滤波器传递函数，为对象名义模型中非延迟部分，yr为期望输出；(34)计算Ri；根据随机优化算法，参数更新规则如下：其中控制目标函数梯度可由梯度的无偏估计代替，子下标i表示迭代次数，γi是迭代步长；(35)如果参数向量不再明显地变化，则算法停止，否则回到步骤(32)。优选的，步骤(3)中，3个IFT迭代实验具体实现步骤如下：(a)确定输入信号ri1'，作为UDE的输入，收集输入信号ui1和输出信号yi1；(b)使用yi1作为UDE的输入，即ri2'＝yi1，收集本次实验输入信号ui2和输出信号yi2；(c)使用ui1作为输入，即ri3'＝ui1，收集本次实验输入信号ui3和输出信号yi3。本专利技术的有益效果为：首次将迭代反馈整定方法用于UDE控制系统的设计，不需要获得准确的对象模型，只需要完成特定的闭环实验就可同时完成模型参数辨识与控制器参数整定，同时满足鲁棒性、设定值跟踪性能和扰动抑制性能的要求，方法简单，易于实现。附图说明图1为本专利技术采用的修正UDE控制结构框图。图2为本专利技术采用的修正UDE的等效控制结构框图。图3为本专利技术采用的修正UDE的二自由度控制结构框图。图4为本专利技术中时IAEld/k/τ和IAEsp/τ随滤波器参数λ变化曲线示意图。图5为本专利技术中时IAEld/k/τ和IAEsp/τ随滤波器参数λ变化曲线示意图。图6为本专利技术中时IAEld/k/τ和IAEsp/τ随滤波器参数λ变化曲线示意图。图7为本专利技术中利用IFT优化对象名义模型的算法流程示意图。图8为IFT实验所采用的输入激励信号示意图。图9为本专利技术中第1次迭代时参考输出yr和实际输出y曲线示意图。图10为本专利技术中第10次迭代时参考输出yr和实际输出y曲线示意图。图11为本专利技术中第1次迭代时的扰动估计和第10次迭代时的扰动估计示意图。图12为本专利技术中采用IFT算法优化对象名义模型时参数收敛示意图。图13为本专利技术中整定前后系统分别在设定值阶跃和阶跃输入扰动作用下的响应曲线示意图。具体实施方式一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，包括如下步骤：(1)将UDE控制系统各传递函数归一化，以扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小为目标确定滤波器参数；(2)拟合出系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后的经验公式；(3)对独立UDE控制结构，做3个IFT迭代实验，根据实验记录的相关信号，利用IFT算法优化对象名义模型，更新参数向量，直至参数向量不再明显地变化，则算法停止，否则继续步骤(3)；(4)根据优化得到的对象名义模型，选择参考模型参数，再根据经验公式结合给定鲁棒指标Mst计算得到控制器参数，完成UDE控制系统的设计。考察图1所示的修正UDE控制结构图，可化简为图2所示的等效结构。其中c,d,η分别为设定值、外部扰动和噪声；r',u和y分别为控制器输出，被估计的扰动信号，控制变量和系统状态。实际模型描述为Gp,其名义模型为Gp0＝Pne-τs，其中Pn是稳定的不含时滞的模型，τ为时间滞后。一般而言，大部分化工过程可以用稳定的FOPTD模型描述，即：其中k是稳态增益，T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将UDE控制系统各传递函数归一化，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标确定滤波器参数；(2)拟合出系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将UDE控制系统各传递函数归一化，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标确定滤波器参数；(2)拟合出系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后的经验公式；(3)对独立UDE控制结构，做3个IFT迭代实验，根据实验记录的相关信号，利用IFT算法优化对象名义模型，更新参数向量，直至参数向量不再明显地变化，则算法停止，否则继续步骤(3)；(4)根据优化得到的对象名义模型，选择参考模型参数，再根据经验公式结合给定鲁棒指标Mst计算得到控制器参数，完成UDE控制系统的设计。2.如权利要求1所述的基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，其特征在于，步骤(1)中，采用系统在单位设定值阶跃下的积分绝对误差值IAEsp和系统在单位输入阶跃扰动下的积分绝对误差值IAEld分别作为系统的设定值跟踪性能指标和扰动抑制性能指标，积分绝对误差定义为：首先进行传递函数的归一化，令s'＝τs，Tf＝λτ，其中Tf是滤波器系数，Ke是误差反馈增益,是归一化时间滞后，被控对象名义模型为名义情况下，系统输出为c为期望输出，Tm为参考模型跟踪时间常数，设定值跟踪性能指标IAEsp/τ只与有关，扰动抑制性能指标值IAEld/k/τ与χ、λ、有关。3.如权利要求2所述的基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，其特征在于，综合考虑闭环带宽和扰动阶跃变化时的积分绝对误差值最小目标，选择滤波器归一化参数λ为1；兼顾鲁棒性和输出性能考虑，选择Tm＝τ。4.如权利要求1所述的基于迭代反馈整定的UDE控制系统设计方法，其特征在于，步骤(2)中，系统鲁棒指标Mst与控制器归一化参数χ和归一化时间滞后的经验公式推导过程具体步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怡，沈炯，孙立，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32