一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器制造技术

本发明专利技术提供了一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，由主、副两种控制器构成双闭环结构；副控制器为PD控制器，位于内环反馈回路，用于镇定不稳定滞后对象，消除其不稳定极点；主控制器为组合积分控制器，位于外环前向回路，用于消除输入干扰的影响和使控制系统达到规定的动态性能指标。本发明专利技术提供的控制器克服了现有技术的不足，采用组合积分控制器和PD控制器构成的双闭环控制结构，这种控制器结构简单，可调参数少，且参数的调节方便、直观；在标称模型下，系统输出稳定且无超调，可以有效抑制干扰的影响；在模型失配时，仍然具有良好的控制性能和鲁棒稳定性能。

A double closed loop controller for controlling unstable lagging objects

The invention provides a controller for a double closed-loop control structure of unstable delay object, a double closed loop structure is composed of two kinds of main and auxiliary controller; Deputy controller for the PD controller in the inner feedback loop to stabilize the unstable time-delay system, eliminate the unstable pole; the main controller is a combination of integral controller at the outer loop to loop for eliminating influence of input disturbance and makes the control system to achieve the dynamic performance of the provisions of the. The controller provided by the invention overcomes the defects of the existing technology, the double closed-loop control structure combined integral controller and PD controller, this controller has the advantages of simple structure, less adjustable parameters, and the parameters and easy tuning; in nominal model, the output of the system is stable and no overshoot, can effectively suppress the interference effect; when the model mismatch, still has good control performance and robust stability.

【技术实现步骤摘要】
一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器
本专利技术涉及一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，属于自动控制系统

技术介绍
在过程控制中，存在着一类开环不稳定过程，这类过程没有平衡状态，例如连续搅拌反应釜。同时，在过程变量的测量和控制回路中存在着滞后现象，因此控制这类不稳定时滞对象存在较大难度。近年来，一些学者针对不稳定对象PID控制提出了各种不同的参数整定算法，取得了一定的控制效果。然而这些PID整定算法都是针对一个或者几个控制性能指标而设计的，很难同时满足控制系统的鲁棒性和抗干扰性能等等，故存在一定的局限性。为了提高不稳定系统的整体性能，弥补PID控制系统的不足，相继出现了几种较为复杂的先进控制算法。二自由度控制算法具有内部和外部两种控制器：内部控制器主要用于稳定开环对象不稳定极点；外部控制器则是依据设定点跟踪性能指标而设计的。然而，这种控制算法局限于一阶不稳定滞后对象的控制，不适合高阶对象以及滞后时间和不稳定时间常数比率大于1的对象，且抗干扰性能较差。在二自由度控制算法的基础之上，又有学者针对一阶和高阶不稳定滞后对象提出了三自由度控制算法，该算法对滞后时间和不稳定时间常数比率小于2的对象均有效，其抗干扰性能比二自由度控制算法有很大的提高。但是这种控制算法的参数较多，且无直观的物理意义，参数依照内模原理而设计，方法较为复杂。另外，控制系统的性能对模型失配非常敏感，鲁棒稳定性能也较差。后来，又有学者基于内模原理，提出一种将设定点跟踪与抗干扰能力分开考虑的不稳定时滞对象控制器设计方法。该控制器的参数设计简单，参数具有明确的物理意义，且整定方便，控制系统具有良好的设定点跟踪性、抗干扰性以及令人满意的鲁棒稳定性能。但这种方法存在如下缺陷：控制器的结构较为复杂，不利于实际工程的实施，且控制器的设计要运动复杂的理论，更增加了实际应用的难度。因此，针对不稳定滞后对象，如何设计一种结构简单、参数调节方便且控制效果良好的控制算法，是本领域技术人员致力于解决的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对不稳定滞后对象，如何设计一种结构简单、参数调节方便且控制效果良好的控制算法，是本领域技术人员致力于解决的难题。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，其特征在于：由主、副两种控制器构成双闭环结构；副控制器为PD控制器，位于内环反馈回路，用于镇定不稳定滞后对象，消除其不稳定极点；主控制器为组合积分控制器，位于外环前向回路，用于消除输入干扰的影响和使控制系统达到规定的动态性能指标。优选地，首先，使用内环的PD控制器将开环的不稳定滞后对象镇定，使其成为闭环稳定系统；然后，将不稳定滞后对象和内环的PD控制器整体视为一个广义对象，对其设计外环的组合积分控制器，使控制系统达到规定的动态性能指标。优选地，所述内环反馈回路的PD控制器的传递函数为：G1(s)＝Kc(1+Tds)，Kc、Td为整定参数；将不稳定滞后对象和PD控制器视为一个广义对象Gp(s)，对其设计外环前向回路的组合积分控制器；假设所期望的整个系统的闭环传递函数为：τ1、τ2为整定参数，L为不稳定滞后对象的时滞，则根据闭环传递函数反推组合积分控制器的传递函数为：本专利技术提供的控制器克服了现有技术的不足，采用组合积分控制器和PD控制器构成的双闭环控制结构，这种控制器结构简单，可调参数少，且参数的调节方便、直观；在标称模型下，系统输出稳定且无超调，可以有效抑制干扰的影响；在模型失配时，仍然具有良好的控制性能和鲁棒稳定性能。附图说明图1为组合积分控制系统结构图；图2为不稳定对象的组合积分控制系统结构图；图3为标称模型下，一阶不稳定系统存在干扰时的输出示意图；图4为模型失配时，一阶不稳定系统的输出示意图；图5为标称模型下，二阶双极点不稳定滞后系统存在干扰时的输出示意图；图6为模型失配时，二阶双极点不稳定滞后系统的输出示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。本专利技术提供了一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，仅由主、副两种控制器构成双闭环结构；副控制器为PD控制器，位于内环反馈回路，用于镇定不稳定滞后对象，消除其不稳定极点；主控制器为组合积分控制器，位于外环前向回路，用于消除输入干扰的影响和使控制系统达到规定的动态性能指标。下面详细介绍本控制器。1、首先介绍组合积分系统及其先进控制算法虽然组合积分系统已经广泛存在于例如钢铁、石油化工、谷物加工、烟草生产、打叶复烤、矿物处理等一系列工业过程之中，但是截至目前，在国内外的期刊杂志上，还没有发现有关组合积分系统的研究文献，国内外的著名过程控制大师也没有研究过该类对象，很多工程人员把这类过程简化为普通的一阶加纯滞后环节。下面列出5种典型组合积分对象的传递函数：这类对象的传递函数由两个或者多个积分时滞对象组合而成，并具有环节(1-e-τs)，故称之为组合积分系统，可表示为如下形式：其中，Gi(s)是一个不包含积分环节的稳定多项式；是包含在组合积分系统中的稳定系统；ki为对象增益，τ1i、τ2i为时间延迟常数，满足等式：τ2i＝τ2(i-1)+τ1(i-1)；1＜i＜n，n为正整数。它们本质上是一类开环稳定对象，并可以通过将时滞项用一阶Pade近似而将其近似为一阶对象。从传递函数上来看，该类对象既具有非左平面的极点，又具有非左平面的零点；从特性分析上来看，此类对象既具有积分特性，又具有非最小相位特性。在流程工业中，钢铁热处理行业的双频淬火机床过程的传递函数具有(1-a)的形式、烟草行业中烟叶烘丝出口水分过程的传递函数具有(1-b)形式、转筒干燥器出口物料湿度对象的传递函数具有(1-c)的形式、卷烟厂膨胀烟丝出口水分过程的传递函数可以简化为(1-d)形式、打叶复烤行业回潮过程出口水分的传递函数具有(1-e)的形式。对于组合积分系统，即使是在无模型失配的情况之下，PID控制器的控制效果也很不理想，很难在响应速度和鲁棒稳定性之间取得平衡。同时，随着工业的高速度发展，对产品的质量、能源消耗和环境保护要求越来越高，对过程控制的精度要求也越来越高，传统的控制算法对组合积分对象的控制越来越不适应，迫切需要一种新的控制理论、方法和理念来指导组合积分控制系统的设计、整定和操作。因此，设计一种基于模型的控制算法是非常必要的。假设过程对象的传递函数具有式(1-b)的形式，而所期望的闭环传递函数的结构形式为：其中，τ10，τ20，λ是整定参数。当λ＝1，开环响应时间与闭环响应时间相同；当λ＞1，开环响应时间快于闭环响应时间；当λ＜1，开环响应时间慢于闭环响应时间。这样可以推导控制器的传递函数为：假设λ＝1，τ10＝τ1，τ20＝τ2，k0＝k，k0为整定的对象增益参数，则有：控制器Gc的输入输出关系为：式(5)的第一项为比例项，第二项可以解释为控制器在t时刻的输出是基于控制器在时间[t-(τ10+τ20)，t-τ20]的输出预测得出的，故该控制算法在实际的工业应用中简单易行。组合积分控制系统结构如图1所示。如果在控制器上加一个阶跃输入，首先由于比例项的存在，阶跃响应会出现初始的阶跃，而后在一段时间内保持不变，后来在变积分的作用下上升，最后在稳定的积分作用下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，其特征在于：由主、副两种控制器构成双闭环结构；副控制器为PD控制器，位于内环反馈回路，用于镇定不稳定滞后对象，消除其不稳定极点；主控制器为组合积分控制器，位于外环前向回路，用于消除输入干扰的影响和使控制系统达到规定的动态性能指标。

【技术特征摘要】
1.一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，其特征在于：由主、副两种控制器构成双闭环结构；副控制器为PD控制器，位于内环反馈回路，用于镇定不稳定滞后对象，消除其不稳定极点；主控制器为组合积分控制器，位于外环前向回路，用于消除输入干扰的影响和使控制系统达到规定的动态性能指标。2.如权利要求1所述的一种用于控制不稳定滞后对象的双闭环结构的控制器，其特征在于：首先，使用内环的PD控制器将开环的不稳定滞后对象镇定，使其成为闭环稳定系统；然后，将不稳定滞后对象和内环的PD控制器整体视为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志明，任正云，陈安钢，闫子豪，张丙昌，郭鸿宇，倪潇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31