[發明專利]簡潔魯棒二自由度比例積分控制方法

有效

• 申請號: 201710256355.0
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN106950835B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 張衛東;阮士濤;張國慶;趙亞東;孫志堅;楊健
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 應小波

本發明涉及一種簡潔魯棒二自由度比例積分控制方法，首先選定設定值加權系數b和采樣時間，在工控系統辨識出對象模型的基礎上，根據對象實際工況的變化情況估計建模誤差值，由建模誤差的大小來確定可調參數λ值，并調用事先編制好的二自由度PI控制程序來計算控制輸出信號。與現有技術相比，本發明具有使系統同時獲得優越的伺服性能和調節性能等優點。

技術領域

本發明涉及工業過程控制技術領域，尤其涉及一種簡潔魯棒二自由度(2-DoF)比例積分(PI)控制方法，針對工業過程控制對象，采用二自由度比例積分控制結構，以簡潔內模PI控制為原理，利用最大靈敏度峰值指標(M_s)整定可調參數。

背景技術

在工業過程控制領域，PID控制已被廣大工程技術人員所熟知。目前PID控制的應用仍占據主導地位，原因是它不僅具有結構簡單、魯棒性強和應用方便等優點，而且還可以滿足大多數工業控制要求。

PID控制技術成功應用的關鍵在于控制器參數的整定，常見的整定方法有基于經驗的整定方法和基于誤差積分性能準則的整定方法等。其中基于經驗的整定方法的代表文章是Ziegler和Nichols在Optimum Settings for Automatic Controllers(Trans.ASME，1942，65，pp.433-444)一文中提出的Z-N法，Z-N法的優點是它具有廣泛的適用范圍，不僅可以控制穩定時滯對象，還可以有效控制積分時滯對象，而且閉環系統具有優越的擾動抑制性能，其缺點是閉環系統的阻尼較差，并且它不能有效控制大時滯對象。基于誤差積分準則的整定方法的代表文章是Antonio Visioli在Optimal tuning of PID controllers forintegral and unstable processes(IEEProc.-Control Theory and Appl.，2001，148(2)，pp.180-184)一文中所提的方法，其特點是通過遺傳算法來分別最小化設定值通道和擾動通道的誤差積分準則，但是該方法并沒有考慮閉環系統的魯棒性，而且無法兼顧系統的伺服性能和調節性能。

上述方法的一個顯著缺點是沒有考慮閉環系統的魯棒性，當控制對象建模不夠精確或者當實際對象的結構或參數發生攝動時，這些經典方法很難獲得滿意的控制效果。為了克服上述方法的不足，Sigurd Skogestad在“Simple analytic rules for modelreduction and PID controller tuning”一文中提出了一種簡潔內模PI控制方法(SIMC-PI)，該方法對大滯后時滯過程修正了積分系數，并選取固定的可調參數值(λ＝θ)來折中系統的性能和魯棒性，但是當建模誤差較大時，可調參數的取值偏小，無法保證閉環系統的魯棒性，即SIMC-PI方法主要適用于建模誤差較小的時滯過程的控制。發明專利“工業過程單參數比例積分微分控制方法”(申請號02145311.X)提出了一種系統的定量方法，通過可調參數的選擇可以方便地折中閉環系統的標稱性能和魯棒性。發明專利“定量整定魯棒性的智能比例積分微分控制方法”(申請號03115673.8)建立了建模誤差與可調參數之間的經驗公式，該方法只需要對模型誤差做出大致判斷，就可以處理建模誤差和實際對象結構或參數攝動等不確定性，從而實現了系統性能和魯棒性之間的最佳折中。

然而，以上方法的一個不足之處是，控制器結構是一自由度的，即閉環系統的設定值響應和擾動響應是耦合的，無法同時獲得最優的伺服性能和調節性能。發明專利“二自由度實用型PID控制器”(申請號92109857.X)提出了一種二自由度實用型PID控制方法，可以同時實現最佳的跟蹤性能和最佳的抗干擾特性，但是該方法包含多達三個二自由度系數(α、β和γ)，不便于整定調節和工程應用，并且作者沒有考慮控制器的離散域編程實現問題，實際上大多數控制對象都是采用計算機控制方式來控制的。

發明內容