时滞采样系统基于预测器的抗扰控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种时滞采样系统基于预测器的抗扰控制方法，该方法结合了滤波史密斯预估器与自抗扰控制结构。通过滤波Smith预估器估计出无时滞的预测输出，然后用于扩张状态观测器的设计。通过配置扩张状态观测器的特征根和闭环控制系统的期望极点，解析地给出了观测器和控制器增益形式。本发明专利技术的突出特点是，所提出的观测器、预测滤波器和控制器中分别只有一个可调参数，单调地增大或减小扩张状态观测器特征根可以方便地得到闭环系统鲁棒稳定性和抗扰性能的折衷；单调地增大或减小闭环系统期望极点可以方便的调节系统设定点跟踪速度；单调地增大或减小预测滤波器参数，可以达到抗扰性能和闭环系统鲁棒稳定性的折衷。

【技术实现步骤摘要】
时滞采样系统基于预测器的抗扰控制方法
本专利技术涉及化工生产过程的控制系统，针对化工生产中具有时滞响应的开环稳定、积分和不稳定过程，以自抗扰控制和鲁棒控制理论为基础，提出一种新颖的基于无时滞输出预测的主动抗扰控制方法，属于工业过程控制

技术介绍
在实际的工业生产过程中，时滞现象普遍存在于生产过程操作和系统响应，如物料传送、能量交换、信号处理等。时滞的存在会导致系统的稳定裕量下降，如果在控制设计中不考虑时滞的影响，闭环系统的性能将受到严重的影响，甚至可能会导致系统的不稳定。时滞系统难以控制的主要原因包括：(1)扰动引起的不利影响需要经过一段时间的滞后才能检测到；(2)控制变量需要经过一段时间滞后才能做出相应的执行操作。法国著名学者RichardJP在控制领域国际权威期刊Automatica上发表的综述文献Time-delaysystems:anoverviewofsomerecentadvancesandopenproblems(Automatica,2003,39(10):1667-1694)中明确指出针对时滞系统采用传统的闭环反馈控制结构很难达到较为满意的控制效果。因此，近年来关于时滞系统的研究受到了国内外学者的广泛关注。众所周知，传统的PID控制结构，如文献PIDcontrolsystemanalysis,design,andtechnology(IEEETransactionsonControlSystemTechnology,2005,13(4):559-576),仅能控制无时滞或者小时滞系统，当系统存在大时滞时，系统性能将严重恶化甚至不稳定。为了克服时滞的影响，基于史密斯(Smith)预估器结构的控制方法受到了广泛的关注，并取得了较好的控制效果。J.E.Normey-Rico等人在文献Unifiedapproachforrobustdead-timecompensatordesign(JournalofProcessControl,2009,19(1):38-47)中基于滤波Smith预估器结构，提出了针对稳定型，积分型和不稳定型生产过程的控制系统整定方法，相对于近期发展的其它控制算法，可以将设定点跟踪性能和抗扰性能相对独立地优化，从而取得更好的控制性能。但是，针对不稳定系统的预估器设计往往存在运行不稳定现象。PedroAlbertos等学者在近期文献Robusttuningofageneralizedpredictor-basedcontrollerforintegratingandunstablesystemswithlongtime-delay(JournalofProcessControl,2013,23(8):1205-1216)中提出了一个离散时间域的广义预估器结构，其主要特点是可以预测出无时滞的系统输出响应，从而消除时滞对反馈控制设计的影响。然而，其双闭环结构过于复杂，不便于控制器设计。此外，在实际工业生产过程中，系统的操作及运行通常伴随着各种各样的负载干扰，这些干扰对系统运行性能会产生不利影响。为了消除扰动和过程不确定性的影响，近年来自抗扰控制技术得到了深入发展。然而，已有的自抗扰技术主要针对无时滞系统或者是将小时滞视为外部扰动来考虑。美国克利夫兰州立大学Zheng和Gao在文献Predictiveactivedisturbancerejectioncontrolforprocesseswithtimedelay(ISATransactions,2014,53(4):873-881)中提出了基于预估器的自抗扰技术，但是仅于开环稳定系统的控制设计上。因此，针对具有时滞响应的开环稳定型、积分型、不稳定型生产过程，尤其是具有大时滞的情况，发展基于预估器的主动抗扰控制结构和统一的控制器整定方法具有较好的理论创新和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是具有时滞响应的化工生产过程的抗扰控制问题。为解决上述问题，设计一个基于无时滞输出预测的主动抗扰控制结构，给出能用于具有时滞响应的开环稳定型、积分型、不稳定型生产过程的统一控制系统设计方法。本专利技术基于实际工程中描述采样系统常用的离散时间域带时滞参数传递函数模型，分别对具有时滞响应的稳定型、积分型、不稳定型生产过程提出离散时间域的主动抗扰控制设计方法。利用已发展的滤波史密斯预估器结构，提出一个基于无时滞输出预测的扩张状态观测器。通过配置扩张状态观测器的特征根和闭环控制系统的期望极点，解析地求解出观测器和控制器增益。突出的优点是，所设计出的观测器、预测滤波器和控制器中分别只有一个可调参数，这便于实际应用中的单调整定。而且根据Lyapunov稳定性定理，给出了确保闭环系统鲁棒稳定性的充分条件。本专利技术的技术方案：(1)基于无时滞输出预测的扩张状态观测器本专利技术给出的扩张状态观测器是基于无时滞的预测输出来设计，这不同于现有的方法直接基于输出测量的扩张状态观测器设计。此外，已知的模型信息也被应用于观测器的设计以提高对系统状态的估计性能。通过将扩张状态观测器的特征根在离散时间域z平面配置到一个期望的位置，可以解析地求解出观测器增益的形式。通过调节观测器中的参数，可以达到闭环系统鲁棒稳定性和抗扰性能的最佳折衷。(2)闭环控制器设计本专利技术设计的闭环控制器包括反馈控制部分和设定点前置滤波部分，反馈控制器通过配置期望的闭环系统极点得到。系统设定点前置滤波器的稳态增益设计为期望闭环传递函数倒数的稳态值，以达到无稳态跟踪误差。该控制器中只有一个调节参数，通过单调增大或减小来调节该参数，可以方便地达到期望的设定点跟踪响应性能。(3)预测滤波器设计本专利技术设计的预测滤波器是一种可以应用于开环稳定型、积分型和不稳定性系统的通用预测滤波器结构。在给定滤波器调节参数的前提下，滤波器的其他参数可以通过求解不同的渐近稳定性约束条件得到。其主要优点在于预测滤波器中只有一个调节参数，它可以在(0,1)范围中内单调地调节，从而达到抗扰性能和闭环系统鲁棒稳定性的最佳折衷。当取一个较小的值时，抗扰速度加快，但是控制器的输出能量需要更大，闭环系统的稳定性相对于模型不确定性会更敏感，反之亦然。本专利技术的有益效果：本专利技术所提出的观测器、预测滤波器和控制器中分别只有一个可调参数，单调地增大或减小扩张状态观测器特征根可以方便地得到闭环系统鲁棒稳定性和抗扰性能的折衷；单调地增大或减小闭环系统期望极点可以方便的调节系统设定点跟踪速度；单调地增大或减小预测滤波器参数，可以达到抗扰性能和闭环系统鲁棒稳定性的折衷。附图说明图1为本专利技术的控制系统方框原理图。图1中，P(z)表示实际的被控对象，即工业大时滞过程；Gn(z)和dn分别为标称的系统模型和时滞参数；ω为被控对象输入端负载干扰；r，u和y分别是设定点输入信号，控制输入和测量输出；F(z)是设定点前置滤波器，设定点信号r经过F(z)产生修正的设定点信号Fp(z)，MESO和K分别是预测滤波器、基于模型的扩张状态观测器和反馈控制增益；测量输出y与控制输入u通过系统模型后的信号做差，该偏差信号输入给预测滤波器Fp(z)，然后与控制输入u经过模型Gn(z)产生的信号相加，得到无时滞的预测输出yp；控制输入u和预测输出yp同时输入给MES本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时滞采样系统基于预测器的抗扰控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：基于无时滞输出预测的扩张状态观测器设计系统模型如下

【技术特征摘要】
1.一种时滞采样系统基于预测器的抗扰控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：基于无时滞输出预测的扩张状态观测器设计系统模型如下其中，y(k)表示在离散时间域第k时刻的过程输出值，u(k)表示在第k时刻的过程输入值，ω(k)表示在第k时刻的干扰信号，f(y,u,ω)表示广义的扰动变量，主要由系统的不确定性和外部干扰组成，ai和bi是系统传递函数的参数，i＝1,2,…,n-1；标称的被控对象模型为其中，Gn(z)表示无延迟部分，dn为时间延迟，z是离散时间域采样变换算子；定义为与Gn(z)相关的标称系统状态；相应的状态空间实现为Cm(zI-Am)-1Bm，其中Cm＝[1b1/b0…bn-2/b0bn-1/b0](3)为了估计广义的扰动f(y,u,ω)，将f视为一个扩张的状态，建立如下的扩张状态系统描述，其中，X(k)＝[xT(k)fT(k)]T，Δf(k+1)＝f(k+1)-f(k)，针对扩张状态系统描述(4)，根据无时滞的输出预测yp，设计如下的扩张状态观测器，其中，L是观测器增益，通过配置式(5)中特征根于z-平面的期望位置得到，即其中，α0∈(0,1)是一个整定参数；相应的观测器增益向量为步骤二：抗扰控制器设计取如下的控制器形式，其中，K＝[k1k2…kn1]/b0＝[K01/b0]是闭环抗扰反馈控制器，是修正的参考信号；把控制器应用到扩张状态系统描述(4)中，闭环系统特征方程写成，指定期望的闭环系统极点为zn+(an-1+kn)zn-1+…+(a1+k2)z+a0+k1＝(z-αc)n(10)其中，αc∈(0,1)是一个整定参数；相应地得到控制器参数对式(5)和(8)做z-变换，得到进而得到等价控制信号、F1(z)和F2(z)的具体形式如下

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，郝首霖，仲崇权，夏浩，李琦，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21