基于繼電反饋的時滯系統(tǒng)自整定控制方法研究.pdf

1、在工業(yè)過程控制中,自整定控制是提高控制器自動化和智能化程度的一種公認的重要手段。繼電反饋自整定控制方法以其原理簡單、安全可靠、節(jié)約成本等諸多優(yōu)越特性成為控制領域新的研究熱點,研究內(nèi)容主要包括繼電反饋模型辨識及控制器參數(shù)整定兩方面。
　　 在繼電反饋模型辨識方面,研究的關鍵和難點問題主要在于:如何設計單次繼電反饋測試,不依賴先驗信息就可高精度地辨識模型中所有參數(shù),即提高辨識的精度和效率。在控制器整定方面,如何設計能直接用于自整定系

2、統(tǒng)的控制方法,既要有簡單明確的整定規(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題。
　　 本文主要針對以上難點和熱點問題開展自整定控制方法研究,分別針對工業(yè)過程中的穩(wěn)定時滯對象和反向響應積分時滯對象,研究了基于偏置繼電反饋技術的辨識方法和基于魯棒最優(yōu)性能指標和頻域控制理論的PID控制器最優(yōu)解析設計方法,建立控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能指標之間的定量關系,同時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。此外著重針對工業(yè)過程中較難鎮(zhèn)定和辨識的大時滯不穩(wěn)定對象,研究了帶有比例一微分(PD)內(nèi)環(huán)的偏置繼電反饋辨識方法、PID控制器鎮(zhèn)定問題和二自由度控制策略。本文的主要創(chuàng)新性研究成果包括:
　　 (1)針對工業(yè)過程中最常見的穩(wěn)定時滯對象,提出了一種偏置繼電反饋的H∞PID控制器定量自整定方法。在模型辨識方面,首先針對廣義一階時滯(FOPDT)對象,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的帶有滯環(huán)的偏置繼電反饋模型辨識方法。其突出的優(yōu)點是:無需任何關于對象的先驗信息,而且只需單次測試,就可以高精度地辨識出FOPDT模型的三個參數(shù)。在模型己辨識出的前提下,基于H∞最優(yōu)性能指標提出了一種PID控制器的最優(yōu)解析設計方法,能按指定的性能和魯棒性設計和整定控制器。將以上辨識和控制方法結(jié)合發(fā)展了H∞PID定量自整定控制策略,與標準繼電反饋自整定方法相比,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模型的辨識過程,而且適用于高階對象和大時滯對象。此外,考慮到實際系統(tǒng)中控制對象可能存在積分飽和現(xiàn)象,會導致閉環(huán)系統(tǒng)性能與期望的線性性能相比發(fā)生嚴重惡化,本文還給出了一種抗積分飽和控制策略,對工業(yè)過程控制實踐具有一定的應用價值。
　　 (2)以化工工業(yè)實踐中鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)為背景,研究了化工過程中一類典型的對象--反向響應積分時滯對象,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。本文所提辨識方法可以通過單次測試,在沒有對象先驗信息的情況下同時辨識對象模型中的四個未知參數(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)理論解析設計PI/PID控制器,并建立控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能指標之間的定量關系,使系統(tǒng)能方便地實現(xiàn)標稱性能和魯棒性之間的折中。最后,發(fā)展了相應的PI/PID控制器定量自整定方法。
　　 (3)針對時滯系統(tǒng)中較難鎮(zhèn)定和辨識的大時滯不穩(wěn)定對象,提出了

7、改進的帶有PD內(nèi)環(huán)的偏置繼電反饋辨識方法。本文方法的突出優(yōu)點是將可鎮(zhèn)定和辨識的不穩(wěn)定對象的約束范圍從傳統(tǒng)方法的時滯與時間常數(shù)之比θ/τ<1n2擴大到θ/τ<2,而且在對象未知的情況下根據(jù)繼電測試輸出曲線即可調(diào)節(jié)PD控制器使其鎮(zhèn)定不穩(wěn)定對象,從而只需單次測試不依賴先驗信息就能完成模型辨識。
　　 (4)在辨識出模型的基礎上針對大時滯不穩(wěn)定對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