[發明專利]一種預估自抗擾控制系統及其設計方法和參數整定方法

有效

• 申請號: 202211207453.2
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115542739B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 孫明;王胤開;余優優;萬暉;萬良平;呂品;訾虎
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）;北京品德技術有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

本發明公開一種預估自抗擾控制系統及其設計方法和參數整定方法，該設計方法通過一階線性自抗擾控制器的等效二自由控制結構進行設計，實現了由單可調參數ωsubgt;A/subgt;來同時改變狀態誤差反饋律的ωsubgt;c/subgt;、擴張狀態觀測器的ωsubgt;o/subgt;的設計，降低了設計出的控制系統的可調參數數量；同時本發明的設計方法中將改進型史密斯預估器與反饋控制器串聯構成的控制回路保持為一階積分的固定式，則改進型史密斯預估器的非時滯部分與反饋控制器的零極點相消，使得改進型史密斯預估器的非時滯部分的調整與反饋控制保持同步，而避免了與被控對象不匹配導致控制效果變差的問題，因此使得設計出的控制系統對于高階自衡被控對象能夠具有良好的控制效果。

技術領域

本發明屬于工業過程自動化控制技術領域，具體涉及一種預估自抗擾控制系統及其設計方法和參數整定方法。

背景技術

自抗擾控制器以其優越的抗干擾性能促使該控制算法在工業過程控制領域得以廣泛應用，但常用的低階次自抗擾控制器在處理高階自衡過程對象時，其控制品質較之傳統的PID控制算法未能有較大提升。這是因為高階自衡過程對象具有大慣性或時滯特性，從頻域角度可知該類對象的相位存在較大滯后，從時域角度可知該類對象的輸出信號不能快速反映控制量的作用，從而導致控制系統的穩定性會降低，控制品質會下降。

而史密斯預估器技術能有效提升高階自衡過程對象的設定值跟蹤性能，該技術通過引入被控對象的一階慣性加時滯模型構造預估器，并與被控對象并聯得到近似無時滯的預估反饋信號。該技術本質上是通過將時滯環節等效至閉環控制回路之外，使得閉環控制系統特征方程中不含時滯項，從而實現系統的穩定性和動態品質的提高。不過史密斯預估器在實際應用中存在兩個方面的問題：一是要求預估器模型準確，也就是其參數要與被控對象的一階慣性加時滯模型的參數匹配，由于實際系統存在非線性和時變性，從而無法實現模型參數的完全匹配，故無法達到史密斯預估器的理論作用；二是抗內擾和外擾的性能較差。

因此，針對高階自衡工業過程，將自抗擾控制器與史密斯預估器相結合，構造預估自抗擾控制器，這樣既能提升控制回路抗干擾性能，又能提升設定值跟蹤性能。但是，以被控對象模型為基準設計史密斯預估器的常規方法仍存在參數不匹配時控制品質下降的問題，而且線性自抗擾控制器的參數帶寬化方法雖然大大減少了可調參數，并且也有一些相關的參數整定公式，但是結合史密斯預估器的預估自抗擾控制器依然缺少參數整定方法和理論依據。

發明內容

為解決現有預估自抗擾控制器因史密斯預估器參數與被控對象模型參數不匹配而導致控制品質低下的問題，本發明從工程應用角度出發，結合史密斯預估器的預測和自抗擾控制器的抗擾兩方面功能，提出一種預估自抗擾控制系統的設計方法。

本發明的另一目的是提出一種預估自抗擾控制系統，該控制系統具有優良的設定值跟蹤性能和抗干擾性能，對高階自衡的控制對象具有良好控制效果。

本發明的另一目的是提出一種預估自抗擾控制系統的參數整定方法。

本發明的技術方案如下：

一種預估自抗擾控制系統的設計方法，所述預估自抗擾控制系統包括一階自抗擾控制器、改進型史密斯預估器和高階自衡的被控對象；該設計方法包括：

1)將一階線性自抗擾控制器經拉氏變換由時域描述等效成復頻域的二自由度控制器結構；該二自由度控制器結構包括前饋控制器和反饋控制器；該前饋控制器的傳遞函數G_r(s)以及反饋控制器的傳遞函數G_y(s)分別為：

式中，ω_c為狀態誤差反饋律的帶寬；ω_o為擴張狀態觀測器的帶寬；b₀為控制量增益；