基于繼電反饋的時(shí)滯系統(tǒng)自整定控制方法研究.pdf

1、在工業(yè)過(guò)程控制中,自整定控制是提高控制器自動(dòng)化和智能化程度的一種公認(rèn)的重要手段。繼電反饋?zhàn)哉刂品椒ㄒ云湓砗?jiǎn)單、安全可靠、節(jié)約成本等諸多優(yōu)越特性成為控制領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn),研究?jī)?nèi)容主要包括繼電反饋模型辨識(shí)及控制器參數(shù)整定兩方面。
　　 在繼電反饋模型辨識(shí)方面,研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題主要在于:如何設(shè)計(jì)單次繼電反饋測(cè)試,不依賴先驗(yàn)信息就可高精度地辨識(shí)模型中所有參數(shù),即提高辨識(shí)的精度和效率。在控制器整定方面,如何設(shè)計(jì)能直接用于自整定系

2、統(tǒng)的控制方法,既要有簡(jiǎn)單明確的整定規(guī)律,又要方便調(diào)節(jié)系統(tǒng)魯棒性和控制性能的折中,這也是比例-積分-微分(PID)自整定控制方法研究的核心問(wèn)題。
　　 本文主要針對(duì)以上難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題開(kāi)展自整定控制方法研究,分別針對(duì)工業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定時(shí)滯對(duì)象和反向響應(yīng)積分時(shí)滯對(duì)象,研究了基于偏置繼電反饋技術(shù)的辨識(shí)方法和基于魯棒最優(yōu)性能指標(biāo)和頻域控制理論的PID控制器最優(yōu)解析設(shè)計(jì)方法,建立控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系,同時(shí)將以上兩部分的研究成

3、果結(jié)合,發(fā)展了PID控制器定量自整定方法。此外著重針對(duì)工業(yè)過(guò)程中較難鎮(zhèn)定和辨識(shí)的大時(shí)滯不穩(wěn)定對(duì)象,研究了帶有比例一微分(PD)內(nèi)環(huán)的偏置繼電反饋辨識(shí)方法、PID控制器鎮(zhèn)定問(wèn)題和二自由度控制策略。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果包括:
　　 (1)針對(duì)工業(yè)過(guò)程中最常見(jiàn)的穩(wěn)定時(shí)滯對(duì)象,提出了一種偏置繼電反饋的H∞PID控制器定量自整定方法。在模型辨識(shí)方面,首先針對(duì)廣義一階時(shí)滯(FOPDT)對(duì)象,研究了其臨界頻率特性與傳遞函數(shù)模型之間的本質(zhì)聯(lián)

4、系,接著給出了一種改進(jìn)的帶有滯環(huán)的偏置繼電反饋模型辨識(shí)方法。其突出的優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)需任何關(guān)于對(duì)象的先驗(yàn)信息,而且只需單次測(cè)試,就可以高精度地辨識(shí)出FOPDT模型的三個(gè)參數(shù)。在模型己辨識(shí)出的前提下,基于H∞最優(yōu)性能指標(biāo)提出了一種PID控制器的最優(yōu)解析設(shè)計(jì)方法,能按指定的性能和魯棒性設(shè)計(jì)和整定控制器。將以上辨識(shí)和控制方法結(jié)合發(fā)展了H∞PID定量自整定控制策略,與標(biāo)準(zhǔn)繼電反饋?zhàn)哉ǚ椒ㄏ啾?不僅能給出滿意的控制效果,而且提供了明確的控制器整定規(guī)則

5、。該方法不僅適用于所有能用FOPDT模型的辨識(shí)過(guò)程,而且適用于高階對(duì)象和大時(shí)滯對(duì)象。此外,考慮到實(shí)際系統(tǒng)中控制對(duì)象可能存在積分飽和現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)性能與期望的線性性能相比發(fā)生嚴(yán)重惡化,本文還給出了一種抗積分飽和控制策略,對(duì)工業(yè)過(guò)程控制實(shí)踐具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
　　 (2)以化工工業(yè)實(shí)踐中鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)為背景,研究了化工過(guò)程中一類(lèi)典型的對(duì)象--反向響應(yīng)積分時(shí)滯對(duì)象,提出了基于偏置繼電反饋的H∞比例-積分(PI)和PID控

6、制器定量自整定方法。本文所提辨識(shí)方法可以通過(guò)單次測(cè)試,在沒(méi)有對(duì)象先驗(yàn)信息的情況下同時(shí)辨識(shí)對(duì)象模型中的四個(gè)未知參數(shù),并具有良好的抗干擾能力和魯棒性。隨后,基于H∞最優(yōu)控制和內(nèi)?？刂?IMC)理論解析設(shè)計(jì)PI/PID控制器,并建立控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系,使系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱性能和魯棒性之間的折中。最后,發(fā)展了相應(yīng)的PI/PID控制器定量自整定方法。
　　 (3)針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)中較難鎮(zhèn)定和辨識(shí)的大時(shí)滯不穩(wěn)定對(duì)象,提出了

7、改進(jìn)的帶有PD內(nèi)環(huán)的偏置繼電反饋辨識(shí)方法。本文方法的突出優(yōu)點(diǎn)是將可鎮(zhèn)定和辨識(shí)的不穩(wěn)定對(duì)象的約束范圍從傳統(tǒng)方法的時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比θ/τ<1n2擴(kuò)大到θ/τ<2,而且在對(duì)象未知的情況下根據(jù)繼電測(cè)試輸出曲線即可調(diào)節(jié)PD控制器使其鎮(zhèn)定不穩(wěn)定對(duì)象,從而只需單次測(cè)試不依賴先驗(yàn)信息就能完成模型辨識(shí)。
　　 (4)在辨識(shí)出模型的基礎(chǔ)上針對(duì)大時(shí)滯不穩(wěn)定對(duì)象提出了一種新穎的二自由度控制策略。首先基于Hermite-Biehler定理,給出了鎮(zhèn)定不