基于定量反馈理论的时滞系统自抗扰控制参数整定

工业过程对象普遍存在时滞、模型参数不确定性和外部扰动多等特点,传统Smith预估控制方法难以设计出满足期望性能的鲁棒控制器.针对模型参数不确定性和外部扰动,本文采用自抗扰控制技术进行估计和补偿.针对系统存在时滞的特点,本文提出改进Smith预估器结构,提升扩张状态观测器对于扰动估计的实时性.在此基础上,本文以一阶时滞系统为例提出了控制器参数整定方法.首先根据最优参数选取准则确定预估器模型,然后在等效模型框架下采用定量反馈理论整定自抗扰控制器参数,确保控制系统达到预期性能指标.在仿真实验中,将所提出方法与几种常见时滞系统控制方法进行比较,通过设定值跟踪、抗扰及蒙特卡罗实验验证了所提出方法具有良好抗扰能力与鲁棒性.     

垃圾渗滤液污水处理设备的臭氧投加复合抗扰控制

垃圾渗滤液污水处理设备中的臭氧投加系统具有大时滞、大惯性和多扰动的特点,导致难以实时调整臭氧投加量,从而影响后续设备出水水质。针对以上问题,在水流量比例的控制方面提出一种基于扰动观测器的改进型Smith预估器与滑模控制相结合的复合抗扰控制。其中,滑模控制为主控制器,扰动观测器用于估计出系统的集总扰动并反馈至前向通道消除扰动的不利影响,以便于Smith预估器更好地进行时滞补偿。仿真和实验结果表明,复合抗扰控制相较于PID控制和自抗扰控制具有更好的控制性能和抑制扰动的能力,能够有效提高垃圾渗滤液污水处理设备的出水水质。     

采用Smith预估器模型的时滞系统自适应控制

在实际生产控制系统中时滞现象相当普遍,而传统的PID控制方法对时滞系统的控制很难达到满意的效果且易引起系统的不稳定.Smith预估器是一种广泛应用于时滞系统闭环控制的有效方法,但存在预估器模型和被控对象参数不匹配时系统控制特性的劣化甚至发生振荡发散的问题.本文提出了一种基于李雅普诺夫稳定性理论,用于改善Smith预估器参数失配时控制特性的模型参考自适应控制方法,阐述了其基本原理并推导了1阶系统的自适应律,然后通过数值仿真计算进行了验证.理论分析推导和仿真计算结果表明,Smith预估器和自适应控制方法的结合明显改善了对时滞系统的控制性能,防止了系统的不稳定性,因而在一定程度上解决了Smith预估器存在的上述问题,取得了较好的效果,有望在实际的时滞系统和设备的过程控制中得到广泛的应用.     

一阶时滞系统线性自抗扰控制器参数稳定域分析

当使用线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection controller,LADRC)控制时滞系统时,闭环系统的稳定性与控制器参数的选取有较大的关系.如何定量求取线性自抗扰针对时滞系统的参数稳定域还没有有效的方法.本文针对线性自抗扰控制器控制一阶时滞系统,利用双轨迹法精确求解出了线性自抗扰控制器参数的稳定域.该方法利用双轨迹的图形性质,有效地将求解具有时滞的控制系统闭环特征方程根的分布问题转化为求解双轨迹交点频率的问题,从而得到能够保证闭环系统稳定性的控制器参数稳定域.求得的稳定域为时滞系统线性自抗扰控制器的整定提供了理论依据.仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

基于Smith预估的自抗扰控制系统

纯滞后对象一直是自动控制和计算机应用领域的一大难题.常用的PID与smith预估相结合的方法,在预估不准确的情况下,不能取得较好的控制效果;而单一的自抗扰控制器在滞后时间较大的情况下,调节时间较长.针对大滞后对象提出了自抗扰控制器与Smith预估补偿器相结合的设计方案.通过仿真对比PID配合Smith预估补偿器及单一的自抗扰控制器的控制效果,表明自抗扰控制器与Smith预估补偿器的结合有效地改善了大滞后对象的控制效果,增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力.     

制粒机温控系统设计与仿真

制粒机调质温度是现代饲料生产过程中的重要参数之一,必须控制在最佳值附近。而调质温度被控对象具有大时滞,非线性以及参数时变的特性。传统的Smith预估器难以取得良好的控制效果。针对上述问题,提出一种IMC-Smith预估控制算法,算法将Smith预估器与内模控制相结合,采用内模控制原理和积分平方差指标设计给定点追踪控制器。在Matlab平台上对IMC-Smith控制算法进行模型匹配和模型失配的仿真,仿真结果表明控制系统性能较常规Smith预估控制有较大的提高,证明了控制方案的有效性。     

基于Smith的自适应模糊网络拥塞控制算法

针对网络拥塞控制系统中因网络时滞对主动队列管理算法产生的不利影响, 提出了一种基于Smith预估的自适应模糊主动队列管理算法。该算法将Smith预估控制与自适应模糊控制相结合, 利用Smith预估器补偿网络时滞, 同时运用模糊控制在一定程度上克服了传统Smith预估器对模型结构与参数的精确性过于敏感、鲁棒性差等缺点。仿真结果表明, 该方法可以使队列长度快速收敛到设定值, 同时维持较小的队列振荡, 尤其是在网络条件变化的情况下, 该算法优于传统PI控制、模糊控制和传统的滑模控制。     

模糊Smith在温控系统中的仿真研究

研究电厂锅炉温度优化控制问题,由于温度的稳定性受到多种因素的影响,所以温度控制系统是一个具有时滞性、非线性和时变性的复杂系统,传统PID控制和模糊控制难以建立精确的数学模型,控制系统的超调时间长,超调大.为了解决控制系统的超调时间长,超调大等问题,为了优化温控制系统,在传统PID控制和Smith预估计器的基础上,结合模糊控制系统良好非线性优点,提出模糊Smith的温控制系统.方法通过Smith预估器对模型的时滞性进行补偿,使时滞系统的超调减小,系统的稳定性增强.通过建立温控制系统数学模型并进行仿真实验,结果表明模糊Smith的控制方法降低了超调量,缩短了超调时间,有效提高了温控制系统的鲁棒性和抗干扰性.     

基于Smith预估的模糊PID主动队列管理算法研究

为解决网络拥塞控制系统中由于网络大时滞对主动队列管理算法产生不利影响的问题,提出了一种基于Smith预估的模糊PID主动队列管理算法.该算法将Smith预估控制与模糊控制相结合,利用Smith预估器补偿网络时滞,同时运用模糊控制在一定程度上克服了传统Smith预估器对模型结构与参数的精确性过于敏感、鲁棒性差的缺点,使主动队列管理算法控制性能有明显提高.仿真实验结果表明,该算法在大时滞的网络环境下能很好地将路由器队列长度收敛于期望值,并能适应突发流和非弹性业务流的干扰,适用于动态变化的网络环境.     

暖通空调控制系统Smith预估器自适应算法设计

针对暖通空调(HVAC)系统控制过程中存在的大时滞问题,研究在系统模型参数改变情况下克服时滞影响的方法.对于一阶带纯时滞的空调系统模型,利用信号相关理论和李亚普诺夫稳定理论,推导出了Smith预估器模型参数的自适应算法.本算法使Smith预估器可以在系统模型改变的情况下在线整定,从而实时更新参数.将此自适应Smith预估器应用于空调系统控制,可以避免在模型参数失配情况下引起的系统不稳定甚至振荡,解决了空调控制中大时滞对系统动态性能的影响,提高了稳定性.     

一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制

为解决一类轻载电液位置伺服系统线性自抗扰控制器设计过程中面临的阶次选择问题,本文从系统特性、频域等角度,分析自抗扰框架中“积分器串联结构”与轻载电液位置伺服系统之间的内在联系,得到轻载电液位置伺服系统在自抗扰控制框架下是本质“一阶”系统的结论,从而合理设计了1阶线性自抗扰控制器.在此基础上,提出了有效的控制器参数整定方法,并分析了闭环系统的稳定性.仿真和试验结果表明,与高阶相比1阶线性自抗扰控制器可以更好地控制动态过程较快、负载较轻的惯性负载电液位置伺服系统,为自抗扰控制在液压伺服领域的工程应用提供了参考.     

基于PID参数整定的线性自抗扰控制参数整定

线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)是不依赖于被控对象的数学模型,在工业过程中具有极大的应用前景,LADRC参数整定是其在工业过程中能否应用的重要环节.鉴于实际工业控制中大都采用PID控制器,通过对二阶LADRC结构与其状态观测器的传递函数进行分析,得到二阶LADRC与PID控制器具有较强的联系,且LADRC比PID有着更好的控制性能.提出一种通过现有PID参数直接得到LADRC参数初始值的方法,以达到更好的控制性能,并基于一阶惯性加时延模型,得到将现有PID整定方法转化为二阶线性自抗扰控制参数整定方法.最后通过基准系统仿真表明所提出方法的有效性.     

Robust Stability Analysis of Smith Predictor Based Interval Fractional-Order Control Systems: A Case Study in Level Control Process

The robust stability study of the classic Smith predictor-based control system for uncertain fractional-order plants with interval time delays and interval coefficients is the emphasis of this work. Interval uncertainties are a type of parametric uncertainties that cannot be avoided when modeling real-world plants. Also, in the considered Smith predictor control structure it is supposed that the controller is a fractional-order proportional integral derivative (FOPID) controller. To the best of the authors’ knowledge, no method has been developed until now to analyze the robust stability of a Smith predictor based fractional-order control system in the presence of the simultaneous uncertainties in gain, time-constants, and time delay. The three primary contributions of this study are as follows: i) a set of necessary and sufficient conditions is constructed using a graphical method to examine the robust stability of a Smith predictor-based fractional-order control system—the proposed method explicitly determines whether or not the FOPID controller can robustly stabilize the Smith predictor-based fractional-order control system; ii) an auxiliary function as a robust stability testing function is presented to reduce the computational complexity of the robust stability analysis; and iii) two auxiliary functions are proposed to achieve the control requirements on the disturbance rejection and the noise reduction. Finally, four numerical examples and an experimental verification are presented in this study to demonstrate the efficacy and significance of the suggested technique.      

不确定非仿射系统的引入动态逆的自抗扰控制器设计

针对一类不确定非仿射严反馈非线性系统, 提出一种引入动态逆的线性自抗扰控制器设计方法. 首先, 利 用微分同胚映射将严反馈非线性系统变换为积分串联型系统, 然后针对积分串联型系统设计线性自抗扰控制器. 提出的线性自抗扰控制器将闭环系统划分为3个时间尺度, 其中线性扩张状态观测器位于最快的时间尺度上, 用来 估计系统的状态和总和扰动, 动态逆位于次快的时间尺度上用以求解非仿射情况下的控制律, 系统动态位于最慢的 时间尺度上. 利用奇异摄动理论分析了闭环系统的稳定性和性能. 提出的自抗扰控制设计方法同样适用于控制增 益不确定的仿射非线性系统. 仿真和实验结果验证了提出的线性自抗扰控制器的可行性.     

线性/非线性自抗扰切换控制方法研究

非线性自抗扰控制 (Nonlinear active disturbance rejection control, NLADRC) 较线性自抗扰控制 (Linear active disturbance rejection control, LADRC) 具有跟踪精度高、抗干扰能力强等优点, 但在参数整定、稳定性分析以及控制性能分析等方面有一定的困难, 阻碍了非线性自抗扰控制在实际中的应用, 而线性自抗扰控制成为工程应用的首选.本文提出一种线性/非线性自抗扰控制切换控制方法, 该方法既综合了线性/非线性自抗扰控制的优点, 又解决了非线性自抗扰控制在参数整定、稳定性分析等方面的困难:首先, 分析线性/非线性自抗扰控制各自优缺点, 并给出了一种切换控制策略; 其次, 提出一种基于优化进行查表或利用拟合公式的参数整定方法; 再次, 提出基于劳斯判据和鲁棒波波夫判据的稳定性分析方法.通过仿真验证了该切换方法在跟踪精度、抗干扰能力等方面具有一定优势.该切换控制方法将有助于更好地发挥非线性机制在要求实现高精度、高抗扰能力场合的独特优势, 有望在工程实际中获得应用.     

线性自抗扰控制的适用性及整定

线性自抗扰控制将被控对象看成串级积分系统,把其他信息都当成不确定性.这种处理方法简单,但是对什么样的系统有效,目前还没有理论给出确定的答案.本文证明任何带有积分行为的严格正则传递函数都可以由线性自抗扰控制的反馈控制器等价实现,从而表明线性自抗扰控制具有广泛的适用性,即只要其他线性控制方法能够控制的系统,线性自抗扰控制同样可以适用.为简化线性自抗扰控制器参数整定,本文针对工业过程中广泛存在的PID控制器,提出将PID参数转化为二阶自抗扰控制参数的方法.该方法转化的线性自抗扰参数以带宽形式表示,从而保留了传统线性自抗扰简单易调的特性,为线性自抗扰控制在工业过程的应用准备了基础.     

On robustness of predictor feedback control of linear systems with input delays

This paper is concerned with the robustness of the predictor feedback control of linear systems with input delays. By applying certain equivalent transformations on the characteristic equation associated with the closed-loop system, we first transform the robustness problem of a predictor feedback control system into the stability problem of a neutral time-delay system containing an integral operator in the derivative. The range of the allowable input delay for this neutral time-delay system can be computed by exploring its delay dependent stability conditions. In particular, delay dependent stability conditions for the neutral time-delay system are established by partitioning the delay into segments. The conservatism of this method can be reduced when the number of segments in the partition is increased. Numerical examples are worked out to illustrate the effectiveness of the proposed method.