[發明專利]一種自耦PID協同控制理論新方法

在審

• 申請號: 201911046288.5
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110703606A
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 曾喆昭
• 申請（專利權）人: 曾喆昭
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種自耦PID協同控制理論新方法。針對PID及其各類改進型PID增益魯棒性差、抗擾動魯棒性也差的問題，發明了一種不依賴于被控對象模型的自耦PID(ACPID)協同控制理論新方法。該方法將系統所有未知內外復雜因素定義為總和擾動，從而將未知非線性時變系統映射為等價的未知線性系統，進而構建了總和擾動反相激勵下的受控誤差系統；根據未知被控對象的動態特性測試獲得過渡過程時間的取值范圍，據此設計最小速度因子模型和自適應速度因子模型。理論分析了ACPID協同控制器系統的全局魯棒穩定性。本發明為現有運行中的各類PID控制器的技術評估與技術升級提供了科學的理論依據和技術保障，在電力、機械、化工、輕工、交通、航空、航天等領域具有廣泛的應用價值。

技術領域

本發明涉及一種未知非線性復雜系統控制，尤其是涉及一種自耦PID協同控制。

背景技術

近半個多世紀以來，以控制論為基礎的經典控制理論和以模型論為基礎的現代控制理論獨立發展，形成了各自的方法論體系。在實際控制工程中，控制目標與被控對象實際行為之間的誤差是容易獲取的，也是能夠適當加以處理的，因而“基于誤差來消除誤差”控制策略的PID控制器在實際工業控制領域獲得了廣泛應用。對于實際控制工程而言，通常因很難給出其“內部機理的精確描述”，因而以數學模型為基礎的現代控制理論給出的控制策略，在實際控制工程中很難得到有效應用。這就是控制工程實踐與控制理論之間延續了半個多世紀而未能得到很好解決的脫節現象。然而，PID及其各種改進型PID都存在增益魯棒性差、抗擾動魯棒性也差的局限性。

發明人認為：導致PID存在這兩個局限性的根本原因集中表現在兩個方面：其一是比例增益k_p缺乏明確的物理屬性；其二是比例增益k_p被視為獨立變量，從而導致比例增益k_p、積分增益k_i和微分增益k_d等三個增益之間相對獨立，進而導致比例控制力u_p＝k_pe₁、積分控制力u_i＝k_ie₀和微分控制力u_d＝k_de₂在控制過程中表現出相互獨立、各自為陣的不協調控制行為。

為了解決PID的局限性問題，在全面而深入掌握PID控制、滑模控制和自抗擾控制等三大主流控制技術比較研究的基礎上，中國學者曾喆昭教授經過近10年的潛心研究，創造性發明了以速度因子為核心耦合因子的“一種擾動感知控制方法”(ZL 201810175424.X，已授權，PCT通過了原創性、創造性和工業實用性審查)。該發明的控制方法通過速度因子將誤差的比例、積分和微分等三個不同物理環節緊密耦合在一起，使得三個環節的控制力在控制過程中表現出功能各異而目標一致的協同控制機理，并從復頻域分析了閉環控制系統的全局魯棒穩定性和抗總和擾動魯棒性，不僅能夠有效解決PID的整定難題，而且也能夠為現行PID控制技術的評估與升級提供科學的理論依據，從而能夠實現擾動感知控制理論與實際控制工程的零距離接軌。

鑒于速度因子將比例、積分和微分等三個環節自行耦合在一起形成有機統一的協同控制策略，因此，將擾動感知控制方法定義為自耦PID(Auto-Coupling Proportional-Integral-Derivative，ACPID)協同控制新方法，不僅更能夠體現本發明的科學意義，而且也揭示了ACPID是一種源于PID又超越PID的控制方法。