干扰和时滞不稳定系统的前馈－反馈控制系统控制方法

摘要

一种工业过程控制技术领域的干扰和时滞不稳定系统的前馈－反馈控制系统设计方法，步骤如下：结合增广最小二乘法，根据具有干扰和时滞不稳定过程的传递函数矩阵辨识模型；根据系统稳态运行时的抗干扰要求及给定值跟踪要求，设计一种二自由度控制结构，实现设定值响应和扰动响应的解耦；利用鲁棒控制理论的H₂最优控制性能指标min‖e‖₂²设计跟踪控制器的二个调节因子；按照抗干扰要求，根据干扰控制闭环的余灵敏度函数设计前馈控制器，利用粒子滤波的方法消除干扰，实现系统的渐近跟踪。本发明设计的前馈－反馈控制系统可以实现设定值响应和扰动响应的解耦，并且只需要调节几个参数，就可达到用户满意的调节系统性能和鲁棒性，实现有效控制。

主权项

1、一种干扰和时滞不稳定系统的前馈-反馈控制系统控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：第一步、首先根据具有干扰和时滞不稳定过程的传递函数矩阵辨识模型，结合增广最小二乘法，导出时滞过程的模型为：$P_n\left(s\right)=\frac{\underset{\mathrm{ip}=1}{\overset{N_{\mathrm{zp}}}{\Pi }}(s+z_{\mathrm{ip}})\underset{\mathrm{im}=1}{\overset{N_{\mathrm{zm}}}{\Pi }}(s+z_{\mathrm{im}})}{\underset{\mathrm{kp}=1}{\overset{N_{\mathrm{pp}}}{\Pi }}(s+p_{\mathrm{kp}})\underset{\mathrm{km}=1}{\overset{N_{\mathrm{pm}}}{\Pi }}(s+p_{\mathrm{km}})}{b}_n{e}^{-\mathrm{\lambda s}}$ 其中，Nzp，Nzm，Npp和Npm分别是对象模型中的不稳定零点数，稳定零点数，不稳定极点数和稳定极点数；zip，zim，pkp和pkm分别是对象模型中的不稳定零点，稳定零点，不稳定极点和稳定极点，bn是过程模型中的常数，λ是时滞时间，并将辨识出的模型参数送到主机的存储单元RAM中；第二步、根据系统稳态运行时的抗干扰要求及给定值跟踪要求，设计一种二自由度控制结构，在系统设定值输入与对象输入之间设计前馈控制、在对象输入与输出端之间设计控制闭环，得出此前馈-反馈控制调节器的传递函数，从而分别负载扰动、设定点到过程输出的传递函数HYD和HYr；通过设计相应的前馈滤波器F得到满意的设定值响应，通过设计跟踪控制器C来获得满意的扰动抑制响应，这种控制结构是一种二自由度的控制结构；第三步、利用鲁棒控制理论的H2最优控制性能指标min||e||2 2设计跟踪控制器的二个调节因子，即满足性能指标min||W(s)(1-Hr(s))||2 2其中W(s)是设定值输入权函数；给定期望HYD，推导出控制器C的表达式；HYD根据终值定理，需满足$\underset{s\to 0}{\lim }s{H}_{\mathrm{YD}}\left(s\right)\frac{1}{s}=0$ ，而且能使控制器C在物理上可实现，并且是开环稳定的，用一阶Taylor展开逼近纯滞后环节；第四步、按照抗干扰要求，根据设定值和对象输入之间的干扰控制闭环的余灵敏度函数：$T_d\left(s\right)=\frac{k_{p}C\left(s\right)P\left(s\right)}{1+k_{p}C\left(s\right)P\left(s\right)}$ 设计前馈控制器，利用粒子滤波的方法消除干扰，实现系统的渐近跟踪；第五步、对状态u(n)进行限幅，防止积分饱和，由数字转换器进行D/A转换后输出至执行器，由执行器作用到被控对象，使被控对象运行在给定的范围内，同时显示现时的状态参数，整个工控系统就实现了控制。