基于繼電反饋的頻域辨識(shí)與自整定控制器的研究.pdf

1、盡管控制理論已經(jīng)取得了極大的進(jìn)展，許多先進(jìn)的控制方法相繼提出，PID控制器仍然是應(yīng)用最廣泛的控制器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)程控制中，超過(guò)95％的回路的控制器是PID類型，大多數(shù)實(shí)際上是PI控制。 繼電反饋?zhàn)哉夹g(shù)的出現(xiàn)，使得PID控制器的調(diào)節(jié)變得十分簡(jiǎn)單。本文研究了繼電反饋技術(shù)的最新研究成果，從面向工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了新的基于繼電反饋的頻域辨識(shí)方法和自整定控制器設(shè)計(jì)方法，用于解決工業(yè)過(guò)程的建模與控制問(wèn)題。 論文分四個(gè)部

2、分：(1)基于繼電反饋的頻域辨識(shí)的研究；(2)基于繼電反饋的自整定控制器的設(shè)計(jì)；(3)繼電反饋對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用；(4)繼電反饋在典型過(guò)程控制問(wèn)題中的應(yīng)用。 本文的工作包括以下幾個(gè)方面：1.將繼電反饋技術(shù)與頻域辨識(shí)方法結(jié)合，提出一種新的辨識(shí)方法。該方法可以有效避免現(xiàn)有的繼電反饋辨識(shí)方法辨識(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且只能辨識(shí)固定結(jié)構(gòu)的低階模型的缺點(diǎn)，能夠辨識(shí)包括遲延在內(nèi)的任意階模型的傳遞函數(shù)參數(shù)。首先由一次繼電反饋實(shí)驗(yàn)辨識(shí)過(guò)程多點(diǎn)的頻率響

3、應(yīng)數(shù)據(jù)；其次利用最小二乘方法估計(jì)模型傳遞函數(shù)參數(shù)的初值；最后通過(guò)變換，將非線性的目標(biāo)函數(shù)化為解析形式，由共軛梯度法準(zhǔn)確的辨識(shí)模型傳遞函數(shù)參數(shù)。 2．基于繼電反饋的自整定控制器的設(shè)計(jì)。自整定控制器的設(shè)計(jì)包括一般單變量控制器的設(shè)計(jì)和魯棒PI控制器的設(shè)計(jì)。一般單變量控制器具有靈活的結(jié)構(gòu)，當(dāng)為低階時(shí)，可以等價(jià)于PI/PID控制器。利用過(guò)程多點(diǎn)頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，規(guī)定理想動(dòng)態(tài)特性，由最小方差的方法擬合理想動(dòng)態(tài)特性來(lái)計(jì)算控制器的參數(shù)。魯棒PI控制

4、器的設(shè)計(jì)以最大靈敏度為設(shè)計(jì)參數(shù)，使系統(tǒng)回路傳遞函數(shù)的Nyquist曲線與以點(diǎn)(-I，0)為圓心，最大靈敏度的倒數(shù)為半徑的靈敏度圓相切。通過(guò)引入Bode積分。過(guò)程幅值與相角的導(dǎo)數(shù)可以由過(guò)程的頻率響應(yīng)求得，使得魯棒控制器的設(shè)計(jì)無(wú)需過(guò)程模型。 3．繼電反饋對(duì)系統(tǒng)的在線監(jiān)視及性能的評(píng)價(jià)。由改進(jìn)的繼電反饋結(jié)構(gòu)在線辨識(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度，從而達(dá)到性能監(jiān)視及評(píng)價(jià)的目的。方法的關(guān)鍵在于對(duì)極限環(huán)幅值的線性假設(shè)。對(duì)線性假設(shè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行

5、了廣泛的檢驗(yàn)，并給出了該假設(shè)成立的條件，即過(guò)程的Nyquist曲線具有順時(shí)針性質(zhì)。當(dāng)控制系統(tǒng)性能較差時(shí)，由繼電反饋實(shí)驗(yàn)得到的過(guò)程的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制器的再整定，無(wú)須額外的調(diào)節(jié)時(shí)間。該方法同時(shí)具有性能監(jiān)視和控制器的再整定的功能，因此可以使控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。 4．順序繼電反饋控制對(duì)多變量系統(tǒng)的應(yīng)用。首先闡述了該方法對(duì)雙輸入雙輸出過(guò)程的控制，然后將其推廣到n×n的多變量系統(tǒng)。與其他方法相比，該方法在自整定的同時(shí)可以準(zhǔn)確的

6、辨識(shí)過(guò)程模型，因此可以有效的解決變量配對(duì)問(wèn)題，并使解耦或基于模型的多變量控制器的設(shè)計(jì)成為可能。 5．繼電反饋控制對(duì)典型過(guò)程控制難題的解決方案。討論了繼電反饋控制在非線性、大滯后這類典型的過(guò)程控制難題中的應(yīng)用。將繼電反饋控制與多模型自適應(yīng)控制相結(jié)合，對(duì)強(qiáng)非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制；將繼電反饋控制與Smith預(yù)估控制相結(jié)合，對(duì)大滯后系統(tǒng)進(jìn)行控制。最后，介紹了PEMFC燃料電池的工作原理，分析了影響PEMFC性能的因素，將繼電反饋?zhàn)哉刂茟?yīng)