[發明專利]一種自耦PI協同控制理論新方法

在審

• 申請號: 201911074336.1
• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN110687777A
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 曾喆昭
• 申請（專利權）人: 曾喆昭
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

針對PI及其各類改進型PI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PI(ACPI)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，從而將未知非線性復雜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ACPI協同控制系統的全局魯棒穩定性。本發明為現有運行中的各類PI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，在一階未知非線性系統和多輸入多輸出非線性系統控制領域具有廣泛的應用價值。

技術領域

本發明涉及一階未知系統或多輸入多輸出(MIMO)未知系統控制，尤其是涉及一種自耦PI(Auto-Coupling PI,ACPI)協同控制。

背景技術

PI控制器是PID控制家族中問世最早的一類經典控制器，主要應用于一階線性或非線性系統以及多輸入多輸出系統的控制。對于已知的一階線性系統而言，使用相位裕度整定規則可以實現PI的整定，且其比例增益k_p和積分增益k_i都依賴于被控對象的特征角頻率，面對千差萬別的被控對象，PI控制器的兩個增益也千差萬別，表明PI控制器的兩個增益與被控對象密切相關；對于非線性復雜對象而言，無法使用相位裕度整定規則來整定PI增益，通常只能使用各類智能計算方法進行在線優化整定。從現有各類PI整定方法來看，其增益魯棒性和抗擾動魯棒性都較差，主要原因在于忽視了PI增益的物理屬性以及PI控制力的物理屬性。事實上，無論從事經典控制理論還是現代控制理論的幾代國內外學者都只注重控制器增益整定方法研究，卻忽視了控制器增益的物理屬性以及控制力的物理屬性，漠視了實際被控對象的客觀存在性。盡管各類控制方法通過增益整定可以控制個例對象，然而卻缺乏廣泛的科學指導意義，僅僅處于現有智能計算方法與控制技術重復運用的技術層面。下面主要圍繞實際控制領域廣泛使用的PI控制理論的局限性進行全面而深入分析，旨在發明一種先進的控制理論新方法，即ACPI協同控制理論新方法。為了便于理解PI存在的理論缺陷，首先從被控對象入手，了解被控對象的控制輸入u所具有的物理屬性。

設某一階被控對象：

其中，x是可測量狀態，u和y分別是系統的控制輸入與實際輸出，f(x,ξ)是已知或未知線性或非線性光滑函數，ξ是模型參數。

假設y＝x是一個廣義“位移”量，比如：溫變系統中的溫度、流量系統中的流量、轉動系統中的角度、運動系統中的位置等。顯然，系統(1)中的控制輸入u是一個具有廣義“速度”量綱的物理量，因此，對任意一階系統而言，其控制輸入u都具有廣義“速度”量綱，因而要求PI控制器或其它類型的控制器形成的控制力u也應該具有廣義“速度”量綱。

1)普遍忽略了控制器增益屬性和控制力屬性

以上對一階任意系統的控制力輸入u掌握其物理屬性的信息后，則要求由各類控制器形成的控制力u也應該具有相應匹配的物理屬性。然而，由于現有控制理論方法都忽視了各類控制器增益和控制力u的物理屬性，使得以“控制論”為代表的經典控制理論和以“模型論”為代表的現代控制理論都漠視了實際被控對象的客觀存在性，因而現有各類控制器只適合于特定被控對象的應用技術層面，缺乏科學的理論指導意義。下面僅圍繞廣泛使用的PI控制策略進行詳細分析，發現引起PI局限性的根源及其消除方法。

設r與y分別是被控對象的期望輸出和實際輸出，則有跟蹤誤差及其積分分別為：e₁＝r-y，e₀＝∫e₁dt。根據e₀和，則有PI控制律或控制力為：

u＝k_p(e₁+e₀/T_i) (2)

或