[發明專利]一種基于自抗擾控制和類史密斯預估的控制系統控制方法

有效

• 申請號: 202011125339.6
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112180737B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 吳振龍;劉艷紅;霍本巖;李方圓;楊磊
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 史萌楊

本發明屬于自動控制技術領域，具體涉及一種基于自抗擾控制和類史密斯預估的控制系統控制方法。該方法在自抗擾控制的基礎上，增加了類史密斯預估法，將類史密斯預估器的輸出值作為自抗擾控制器的輸入之一來進行系統的實時估計和補償計算，最終得到被控對象輸入值，根據該值對被控對象進行調節與控制，該方法保留了自抗擾控制的結構簡單和參數易整定的特點，使得閉環系統能夠更好地兼顧跟蹤能力與抗干擾能力，并且使得閉環系統具有較強的魯棒性，為進一步促進ADRC在熱力過程、化工過程等工業過程中的廣泛應用奠定基礎。

技術領域

本發明屬于自動控制技術領域，具體涉及一種基于自抗擾控制和類史密斯預估的控制系統控制方法。

背景技術

自抗擾控制(Active disturbance rejection control,ADRC)技術是中科院系統科學研究所韓京清研究院經過長期對工業控制問題研究提出的一種不依賴精確數學模型的新型控制方法，ADRC能夠通過擴張狀態觀測器(Extended state observer,ESO)對系統的狀態和總擾動進行實時估計，并通過控制率將估計的總擾動進行補償。由于ADRC具有不依賴精確數學模型、魯棒性好、參數整定容易、易于工程實施等優點，ADRC已經在火電機組二次風系統、電機系統、康復機器人系統中得到成功的應用，這為ADRC在實際工業的大規模應用和推廣奠定了堅實的基礎。

熱力過程中存在很多由一階慣性環節串聯的高階系統進行描述的系統，如過熱汽溫、主蒸汽壓力系統和再熱汽溫系統。高階系統的表示為：

其中，s、k、T和n分別為微分算子、高階系統的增益、時間常數和階次，且n≥3；Y(s)、U(s)分別為高階系統的輸出量和輸入量；高階系統的增益k和時間常數T根據不同被控的實際工業對象確定，例如典型的火電機組的再熱汽溫系統，其增益一般在0.01～0.5的范圍內，時間常數一般15～100范圍內。

以再熱汽溫系統為例的高階系統，上式中各參數的含義為：輸出量Y(s)是再熱汽溫系統的溫度輸出值，輸入U(s)是煙氣擋板的開度，增益k是指高階系統對輸入值的放大倍數，輸出給定值為煙氣擋板開度變化1％對應的再熱汽溫，時間常數T是指系統響應達到穩態值的63.2％時所需要的時間。

將被控的實際工業對象采用上述一階慣性環節串聯的高階系統進行描述，采用標準一階ADRC方法進行調控的控制框圖如圖1所示，其中，用Γ表示計算步序。

1-1)將高階系統在上一計算步序Γ-1時的被控對象輸出值y(Γ-1)和在上一計算步序Γ-1時的被控對象輸入值u(Γ-1)共同采用擴張狀態觀測方法進行實時計算，得到在當前計算步序Γ時的被控對象輸出值y(Γ)的跟蹤值z₁(Γ)、以及在當前計算步序Γ時的被控對象所受總干擾的觀測值z₂(Γ)，z₁(Γ)和z₂(Γ)的數學計算式如下：

其中，z₁(Γ-1)為在上一計算步序Γ-1時的被控對象輸出值y(Γ)的跟蹤值；z₂(Γ-1)為在上一計算步序Γ-1時的被控對象所受總干擾的觀測值；h為采樣步長；β₁、β₂和b₀為計算系數，根據控制要求選擇合適的值。

1-2)將高階系統在當前計算步序Γ時輸出設定值r(Γ)與在當前計算步序Γ時的被控對象輸出值y(Γ)的跟蹤值z₁(Γ)的差值放大k_p倍，放大k_p倍后減去在當前計算步序Γ時的被控對象所受總干擾的觀測值z₂(Γ)，得到的結果再放大倍，得到自抗擾控制器輸出的在下一計算步序Γ+1時的被控對象輸入值u(Γ+1)，其數學計算式如下：

其中，k_p為計算系數，根據控制要求選擇合適的值。