一种时滞系统的Smith互耦PI协同控制理论新方法技术方案

大时滞过程因其信息反馈不及时，从而导致基于反馈信息的控制器对该类系统显得无能为力。针对大时滞系统的控制问题,发明专利技术了一种Smith互耦PI(SMCPI)协同控制理论新方法。该方法的主要特色与创新点是：根据时滞对象的标称参数来构造Smith标称预估器，将其与时滞对象相结合形成了无时滞的惯性系统，原创性设计了SMCPI协同控制力模型，并根据标称时间常数和时滞来整定中心速度因子，分析了SMCPI控制系统的全局鲁棒稳定性。数值仿真结果表明了在各种模型参数存在时变的摄动情况下，本发明专利技术的控制方法都能获得良好的动态品质和稳态性能，因而是一种有效的控制方法,在时滞系统控制领域具有广泛的应用价值。

A new method of Smith mutual coupling PI coordinated control theory for time-delay systems

【技术实现步骤摘要】
一种时滞系统的Smith互耦PI协同控制理论新方法
本专利技术涉及一种时滞系统的控制方法，尤其是涉及一种Smith互耦PI(SmithMutualCouplingProportional-Integral，SMCPI)协同控制理论新方法。
技术介绍
在石油、化工、冶金、核反应堆、废水处理等工业过程中广泛存在时滞现象。而这些工业过程往往可以简化为一个或多个一阶加纯滞后系统。由于时滞现象的存在,系统在时滞期间内一直处于无效输出(假设无效输出为y＝0)，因此，在时滞期间内，跟踪误差e1＝yd-y＝yd一直处于最大值，很容易因积分饱和引起整个系统出现超调大、响应时间长、甚至还可能出现振荡现象或者不稳定现象,给时滞系统控制器的设计带来了很大挑战。针对时滞系统的控制难题,PI控制和自抗扰控制(ActiveDisturbanceRejectionController,ADRC)一直是主要控制方法。近年来主要使用忽略时滞环节的方法、或将时滞环节用一阶惯性环节近似的方法、或输入预测方法以及输出预测方法等四种控制方法。然而，这四种方法只适用于比较小时滞的对象。由于大时滞对象在较长时间内无有效输出,因而致使ADRC中观测器的两个输入y和u不同步。为此,有学者将控制信号u延迟后再进入扩张状态观测器(ExtendedStateObserver,ESO)来实现与y的同步。然而，该方法对跟踪设定值初期改善效果不明显，特别是当时滞时间未知时，该方法难以实现y和u的同步问题。为了解决同步问题,有学者提出将Smith预估和ADRC相结合的预测自抗扰控制器(PADRC)。该方法给出了确保系统稳定的最大时滞摄动范围,为大时滞系统的控制提供了一定的理论指导。此外，针对大时滞系统的控制问题,有学者还提出了一种联合算法，即将PADRC算法和ADRC输入时滞改进算法通过相应的权重结合起来，在不同阶段，系统对应两种算法的不同权重,从而实现抗扰阶段以ADRC输入时滞改进算法为主，而跟踪阶段则以PADRC为主的控制策略。然而，在联合算法中权重系数的确定还缺乏有效的理论依据，而且待整定的参数较多,在实际应用中存在明显的局限性。针对大时滞系统的控制问题,也有学者采用预测控制来实现对输出进行提前预报以弥补信息不及时的问题,从而实现一种既有主动补偿总扰动又有信息预估的预测自抗扰控制器。然而，该控制方法结构复杂，计算量较大。针对ADRC在时滞系统稳定域求解问题,有学者基于双轨迹法获得了LADRC对一阶时滞系统的稳定域,分析了时滞系统模型参数、观测器和控制器带宽比对稳定域的影响。然而，该方法获得的稳定域裕度只有很小的适定范围，且对时滞系统的控制性能十分敏感，稳定域的微小变化(如0.005)即可能引起系统不稳定。此外，该方法的响应速度很慢，对于时滞时间τ＝60s的被控对象，需要6000秒左右才能进入稳定状态。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，专利技术一种模型结构简单、响应速度快、动态品质好、控制精度高、时变鲁棒性好的Smith互耦PI协同控制理论新方法。设时滞系统的时滞时间、系统时间常数和系统增益的标称参数分别为τ0、T0和K0，本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，一种Smith互耦PI协同控制理论新方法，包括如下步骤：1)根据时滞系统已知的标称时间常数T0和标称时滞τ0，建立系统的过渡过程时间Tr为：Tr＝nT0+τ0其中，1<n≤5；2)根据步骤1)获得的Tr，建立中心速度因子zc的模型为：zc＝20α/(nT0+τ0)其中，1≤α≤10，1<n≤5；3)根据时滞系统的标称参数τ0、T0和K0，建立Smith标称预估器为：其中，bm＝K0/T0和am＝1/T0分别是Smith标称预估器的模型参数，τm＝τ0是Smith标称预估器的时滞；4)根据步骤3)获得Smith标称预估器Gm(s)后，建立Smith标称预估器的无时滞输出y1m和有时滞输出ym分别为：5)根据步骤4)获得的y1m和ym，结合时滞对象的实际输出yp＝y1(t-τ)，建立Smith预测补偿输出为：y＝yp+ym+y1m其中，yp＝y1(t-τ)是时滞对象的实际输出，y1是时滞系统的内部状态；6)根据步骤5)获得的Smith预测补偿输出y和给定的期望输出yd，建立跟踪误差e1及其积分e0分别为：7)根据步骤2)获得的zc以及步骤6)获得的e1、e0，定义所述Smith互耦PI协同控制力为：其中，σ是中心速度偏差率，且0≤σ<1；8)为了有效避免因积分饱和而引起超调与振荡现象，要求对积分e0进行限幅处理；考虑到实际系统的输入受限情况，需要对控制力u进行限幅处理，具体如下：其中，um是控制力的最大幅值。本专利技术的主要创新点是创造性专利技术了速度因子模型：zc＝20α/Tr。其中：Tr＝nT0+τ0，且1<n≤5，1≤α≤10。不仅显著扩大了速度因子的整定范围，而且只需要根据时滞对象模型的标称参数τ0和T0即可轻易实现速度因子的整定，因而能够有效解决PI控制器的整定难题，便于实现SMCPI协同控制理论与实际控制工程的零距离接轨。仿真结果表明了在时滞对象模型参数摄动情况下也能够获得良好的控制结果。附图说明图1是Smith互耦PI(SMCPI)协同控制系统框图。图2是标称模型下SMCPI跟踪控制结果，(a)阶跃跟踪轨迹,(b)控制输入,(c)跟踪误差，(d)误差局部放大图。图3是系统时间常数增大而时滞减小时的跟踪控制结果，(a)阶跃跟踪轨迹,(b)控制输入,(c)跟踪误差，(d)误差局部放大图。图4是系统时间常数减小而时滞增大时的跟踪控制结果，(a)阶跃跟踪轨迹,(b)控制输入,(c)跟踪误差，(d)误差局部放大图。图5是系统增益增大时的跟踪控制结果，(a)阶跃跟踪轨迹,(b)控制输入,(c)跟踪误差，(d)误差局部放大图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式加以详细说明。1.时滞系统的Smith预测补偿模型1)问题描述工业生产过程中,常使用一阶加纯滞后的模型来模拟生产过程中的大时滞过程，其传递函数可表示为其中，T为系统时间常数、τ为时滞时间、K为系统增益。时滞系统(1)相应的微分方程为其中，a＝1/T，b＝K/T，u为控制输入，y1为时滞系统内部状态、yp为时滞系统实际输出。设期望输出为yd，根据时滞系统的特性，当t<τ时，由于被控对象一直处于无效输出(假设无效输出为0),因而跟踪误差e1＝yd-yp＝yd一直处于最大值状态；当t≥τ时，被控对象开始过渡到有效输出，此时，跟踪误差为：e1＝yd-yp。假设时滞系统的内部状态y1由动态进入稳态的过渡过程时间为Tr>T，那么，时滞系统实际输出yp的过渡过程时间则为Tr+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时滞系统的Smith互耦PI协同控制理论新方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据时滞系统已知的标称时间常数T

【技术特征摘要】
1.一种时滞系统的Smith互耦PI协同控制理论新方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据时滞系统已知的标称时间常数T0和标称时滞τ0，建立系统的过渡过程时间Tr为：
Tr＝nT0+τ0
其中，1<n≤5；
2)根据步骤1)获得的Tr，建立中心速度因子zc的模型为：
zc＝20α/(nT0+τ0)
其中，1≤α≤10，1<n≤5；
3)根据时滞系统的标称参数τ0、T0和K0，建立Smith标称预估器为：



其中，bm＝K0/T0和am＝1/T0分别是Smith标称预估器的模型参数，τm＝τ0是Smith标称预估器的时滞；
4)根据步骤3)获得Smith标称预估器Gm(s)后，建立Smith标称预估器的无时滞输出y1m和有时滞输出ym分别为：


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【专利技术属性】
技术研发人员：曾喆昭，
申请(专利权)人：曾喆昭，
类型：发明
国别省市：湖南;43