一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计及整定方法技术方案

本发明专利技术具体涉及一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计及整定方法。该方法基于自抗扰技术，首先将复杂的被控对象拟合成一阶惯性环节加纯时滞数学模型，同时将时滞归结为扰动量，应用时滞降价线性扩张状态观测器对含有时滞的未知总扰动进行估计，并主动补偿总扰动对系统的影响，从而把时滞系统还原为ADRC标准的“积分器串联型”，实现时滞系统的补偿。最后推导了系统的闭环传递函数，消除了特征方程中的纯时滞环节，相应给出了具有普适性的ADRC单参数整定公式及可调参数之间的数值关系。仿真结果验证了所设计的实用ADRC具有较好的稳定性、快速性、准确性和抗扰性。

【技术实现步骤摘要】
一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计及整定方法
本专利技术属于工业过程控制
，具体涉及一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计及整定方法。
技术介绍
化工、炼油、冶金、电站、制药和造纸等工业生产过程及其它实际系统广泛存在着时滞现象，如状态时滞、输入时滞、传输时滞或输出测量时滞、容积时滞等。由于时滞的存在，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动，产生明显的超调和较长的调节时间，甚至造成系统的不稳定。因此，时滞系统(timedelaysystems，TDS)被公认为较难控制的系统。对时滞系统的研究一直是控制理论界关注的热点之一，国内外学者提出了许多克服时滞影响的控制方案。然而面对日益复杂的系统，如具有大时滞、非线性、时变、随机不确定性、多变量耦合等特征，很难建立精确的数学模型，限制了现有的控制理论在实际系统中的应用，因此，在实际中不依赖于模型的PID控制仍然占据主导地位。但随着科学技术的飞速发展,PID控制已经难以满足高精度、高速度以及环境变化适应能力的要求。韩京清先生在发扬PID控制的技术精髓——“基于误差来消除误差”，并吸取现代控制理论成就的基础上，于1998年正式提出的自抗扰控制(activedisturbancerejectioncontrol,ADRC)思想，是一种可以解决具有大范围及复杂结构(非线性、时变、耦合等)不确定系统控制问题的有效方法(HanJQ.FromPIDtoactivedisturbancerejectioncontrol.IEEETransactionsonIndustrialElectronics.2009,56(3):900-906.)。其核心思想是以简单的“积分器串联型”作为反馈系统的标准型，把系统动态中异于标准型的部分视为“总扰动”(包括内扰和外扰)，对“总扰动”进行估计，并主动补偿“总扰动”对系统的影响，从而把充满扰动、不确定性和非线性的被控对象线性化为标准型，使得控制系统的设计从复杂到简单、从抽象到直观(黄一，薛文超.自抗扰控制：思想、应用及理论分析.系统科学与数学，2012，32(10)：1287-1307.)。ADRC技术主要包括：跟踪微分器(trackingdifferentiator，TD)、扩张状态观测器(extendedstateobserver，ESO)、状态误差反馈(stateerrorfeedback，SEF)控制律等(韩京清.自抗扰控制技术—–估计补偿不确定因素的控制技术.北京：国防工业出版社，2008.)。由于这几个部分的选取方法可以有很多不同形式，因此在这个统一的结构框架下，根据不同对象的需求，可以构造出上百种不同的ADRC。由于ADRC不依赖于精确的对象模型，并具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快、结构简单等特点，得到了国内外学者广泛而深入的应用研究。将ADRC设计思想应用于时滞系统，也取得了良好的控制效果。ADRC无视时滞法(韩京清.自抗扰控制技术—估计补偿不确定因素的控制技术.北京：国防工业出版社，2008.)将被控对象中的时滞环节近似成单位1来处理，把时滞对象直接近似成无时滞环节。但当时滞大到一定程度不能被忽略时，控制效果就会不尽人意。ADRC阶次提高法(HanJQ.FromPIDtoactivedisturbancerejectioncontrol.IEEETransactionsonIndustrialElectronics.2009,56(3):900-906.)在设计时一般把时滞环节近似为一阶惯性环节，尽管目前得到了大量应用，但由于人为地提高了被控对象的阶次，导致ADRC可调参数增多。ADRC输出预估法(ZhengQinling,GaoZhiqiang.Predictiveactivedisturbancerejectioncontrolforprocesseswithtimedelay.ISATransactions.2014,53(4):873-881.)将有时滞的输出反馈信号变换为不包含时滞的反馈信号，尽管所设计的ADRC明显加快了时滞对象的过渡过程，并提高了鲁棒性能，但较好地实现相位超前环节是系统设计的关键。ADRC输入预估法(韩京清.自抗扰控制技术—估计补偿不确定因素的控制技术.北京：国防工业出版社，2008.)和输出预估法类似，不过它是通过对控制量进行改造来实现的，但较好地实现超前信号仍是系统设计的难点。目前常规的状态观测器(包括常规的ESO)主要是针对无时滞对象进行状态重构的。因此前面这四种方法都需要把时滞对象近似或变换为无时滞对象后，才能设计ESO进行相应的观测。而ADRC输入时滞法(ZhaoS.Practicalsolutionstothenon-minimumphaseandvibrationproblemsunderthedisturbancerejectionparadigm.Ph.D.dissertation.Dept.ECE,ClevelandStateUniv.,Cleveland；2012.)则突破了这种限制，通过增加一个输入时滞环节，对常规的二阶线性ESO进行改进，直接针对时滞对象来设计ADRC，加快了过渡过程，并提高了抗扰性能。文(王丽君，童朝南，李擎，等。热连轧板宽反厚的实用自抗扰解耦控制.控制理论与应用，2012，29(11)：1471-1478.)在此基础上，利用输出量可由传感器直接测量的优势，设计降阶线性ESO替代常规的二阶线性ESO，应用于热连轧板宽板厚双入双出多变量时滞系统，回路之间的耦合也看做扰动进行实时估计和动态补偿。尽管所设计的ADRC不仅具有较好的解耦性能，而且对模型参数的不确定性和外扰具有较强的鲁棒性和参数适应性，但ADRC输入时滞法的系统设计、分析及参数整定方法仍需进一步深入研究，例如对时滞状态的有效观测方法，各个可调参数方便实用的整定方法等。ADRC内在的鲁棒性使得它可以应用于十分广泛的对象中，但显然一个控制器的能力是有限的，一个参数固定的控制器不可能控制所有的对象，因此参数整定成为ADRC面临的一个主要问题。ADRC参数的整定可以按照分离性原则来进行，首先分别整定TD、ESO的参数，然后将三部分综合，对控制律的参数进行整定。传统的ADRC参数一般采用试验加试凑的方法由人工整定，主要依靠专家的经验和设计者的反复实验。尽管ADRC本身的参数具有很强的鲁棒性，降低了参数整定的难度，但由于各部分可调参数较多且相互影响、分布范围较大，把多个参数有效的协调组合，以达到最优的控制效果，无疑是一项困难而繁杂的工作。另外，由于目前ADRC还缺乏相关成熟理论，很难精确获得ADRC参数的稳定域，而且也不像PID控制器那样有许多工程的方法来确定参数初值，这更为参数的整定增加了很大难度。文(GaoZQ.Scalingandbandwidth-parameterizationbasedcontrollertuning.In:ProceedingsoftheAmericanControlConference.Denver,CO,Unitedstates,2003,4989-4996.)(高志强等.控制器、观测器及其应用.CN101578584A，2009)将ADRC从最初的非线性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计方法，其特征在于，首先将复杂的被控对象拟合成一阶惯性环节加纯时滞数学模型，同时将时滞归结为扰动量，应用时滞降价线性扩张状态观测器对含有时滞的未知总扰动进行估计，并主动补偿总扰动对系统的影响，从而把时滞系统还原为ADRC标准的“积分器串联型”，实现时滞系统的补偿。

【技术特征摘要】
1.一种时滞系统的自抗扰控制系统的设计及整定方法，其特征在于，首先将复杂的被控对象拟合成一阶惯性环节加纯时滞数学模型，同时将时滞归结为扰动量，应用时滞降阶线性扩张状态观测器对含有时滞的未知总扰动进行估计，并主动补偿总扰动对系统的影响，从而把时滞系统还原为ADRC标准的“积分器串联型”，实现时滞系统的补偿，设计及整定方法的具体步骤为：A）将复杂的被控对象拟合成一阶惯性环节加纯时滞数学模型，式中Y（s）和U（s）分别为输出和控制量的拉普拉斯变换，、和分别为稳态增益、时间常数和纯时滞；B）创建ADRC结构，所述ADRC结构由时滞RLESO、控制律及扰动补偿组成；C）创建时滞总扰动；所述步骤C）中的时滞总扰动基于建立，其中，，、和为不确定量，为未知或不可测扰动，补偿因子为的粗略估计值，可调参数；D）创建时滞RLESO；所述时滞RLESO基于以下公式建立：式中，为扩张状态观测量，是含有时滞的未知总扰动状态的估计值；为引入的中间变量；观测器的带宽，可调参数，决定观测器的收敛程度；为有效观测时滞状态引入的输入时滞，比控制输入量滞后一定的时间；为实际时滞的估计值；适当选取参数和，使得时滞RLESO在一定范围内有足够的响应速度，就可以一定精度估计出含有时滞的状态，即；E）建立控制律及扰动补偿，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽君，李擎，童朝南，尹怡欣，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11