[發(fā)明專利]基于模糊PID的改進型Smith預(yù)估補償系統(tǒng)的控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110284955.4
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113075880A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊奕;韓青青;于婧雅;顧海勤;高龍;任曉琳
• 申請（專利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 許潔

本發(fā)明公開了一種基于模糊PID的改進型Smith預(yù)估補償系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明通過采用Smith預(yù)估器解決溫控系統(tǒng)中大滯后問題，并采用先進控制算法中的模糊PID控制算法來改善Smith預(yù)估器對模型精度的依賴，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。仿真實驗表明了Smith預(yù)估模糊PID控制方法相比于模糊PID控制方法，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種基于模糊PID的改進型Smith預(yù)估補償系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)

在石油化工、塑料成型、機床制造、航天工業(yè)等生產(chǎn)工業(yè)對溫度的控制都有很大的控制要求。根據(jù)了解可知目前大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)中普遍存在大時滯、非線性、時變性等特點，為了達到工藝要求的溫度設(shè)定值，需要控制的溫度在沒有超調(diào)的情況下能夠以很快的速度達到溫度設(shè)定值，并且需要具有一定的穩(wěn)定性。

目前針對溫度控制系統(tǒng)的特點，常用的PID控制器對誤差的微分信號不能完全解決，當(dāng)初始的誤差很大，很容易產(chǎn)生超調(diào)，使得整體的控制效果不佳。對于具有精確和穩(wěn)定的模型，Smith預(yù)估器能夠消除滯后因素。在工程實踐中，通常采用經(jīng)典的PID控制算法或者增量型PID算法。

本發(fā)明基于Smith提出的純滯后補償模型，著重研究Smith預(yù)估控制空氣源熱泵溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，達到提高系統(tǒng)控制的動態(tài)品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對溫度控制系統(tǒng)具有大時滯、非線性、時變性等特點，本發(fā)明提出了一種基于模糊PID的改進型Smith預(yù)估補償系統(tǒng)的控制方法。

技術(shù)方案：一種基于模糊PID的改進型Smith預(yù)估補償系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：

步驟一、設(shè)計位置型PID控制器并給定PID控制器初始值；

步驟二、PID控制器根據(jù)模糊控制器的輸出不斷修改PID控制器K_p、K_i、K_d值；

步驟三、由于溫控系統(tǒng)在能量或信號的延遲，因此在該系統(tǒng)的反饋通道加入延遲因子的預(yù)估部分：首先估計出控制過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后經(jīng)過預(yù)估器進行補償；被延遲的調(diào)節(jié)量超前反饋到調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)器提前動作，進而實現(xiàn)減小超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程的目標(biāo)。

作為優(yōu)化：所述的步驟三中，在溫控系統(tǒng)中，由于被控對象存在的滯后環(huán)節(jié)，導(dǎo)致被控對象的延時反饋控制系統(tǒng)存在波動，在被控對象的動態(tài)特性分析中，當(dāng)系統(tǒng)中的時滯τ與過程慣性時間參數(shù)T滿足τ/T＞0.3時，則為大滯后控制系統(tǒng)；

當(dāng)控制系統(tǒng)中控制器僅用PID控制，則有PID控制器輸出U(s)到被調(diào)量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為：

上式表明，被調(diào)節(jié)量受到調(diào)節(jié)作用之后經(jīng)過遲延后才能再到達PID調(diào)節(jié)器,遲延時間為τ；如果加入補償控制，PID控制器輸出與返回到PID控制器的信號之間的傳遞函數(shù)為：

所以，當(dāng)被控對象的G_p(S))和e^-τs環(huán)節(jié)已知時，史密斯預(yù)估器就可以組成，史密斯預(yù)估器將消除遲延對系統(tǒng)過渡過程的影響，使控制過程品質(zhì)與無延遲效果一樣；

此時，系統(tǒng)的特征方程中并不包含時滯因子e^-τs，能夠有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除了純遲延τ,對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響，分子上的e^-τs項說明被調(diào)量y(t)的響應(yīng)比設(shè)定值延遲了時間τ；

因此，斯密斯預(yù)估控制原理是與調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(S)并接一補償環(huán)節(jié)，用來補償被控對象中的純滯后部分，補償環(huán)節(jié)稱為預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為G_p(S)(1-e^-TS)，T為純滯后時間，因此在對被控對象控制模型進行補償后的系統(tǒng)框圖中；