CN111665824A - 一种pi控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法 - Google Patents

一种pi控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法 Download PDF

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徐静
门义双
郝强
刘斌
刘文齐
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Abstract

本发明涉及一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法，属于控制器控制性能测试技术领域。本发明提出了PI控制器的控制参数和线性自抗扰控制器的控制参数的映射关系，通过PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系，得到两种控制器对比测试的控制参数，采用计算得到的控制参数进行控制器在该控制频域特性下的控制性能比测，使得两种控制器在近似相同的控制校正频域曲线上进行控制性能对比，通过该方法计算得到的两种控制器参数，使两种控制器在对比测试中参数获取标准一致，能够公平合理地对比测试两种控制器的性能差别，结果可信。

Description

一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法
技术领域
本发明属于控制器控制性能测试技术领域，具体涉及一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法。
背景技术
针对目前在对比测试不同控制算法的控制性能的时候，往往没有统一的标准，一般人为操作调整两个控制器参数，依据经验认为是最佳，然后进行比测。在PI控制器和线性自抗扰控制器对比中测试中，采用的也是同样的方法，对比测试中往往带有主观意愿。
而在PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试中，由于人为经验调整两种控制器参数，再进行对比测试会造成：一个控制参数调整较优的控制器和另一个控制参数整定不是很好的控制器进行性能对比。这样，得到的结果带有主观意愿，测试结果说服力不强，甚至得到相反或错误的结果。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法，使两种控制器在对比测试中参数获取标准一致，能够公平合理地对比测试两种控制器的性能差别，结果可信。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法，包括以下步骤：
步骤1.确定PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的表现形式；
步骤2.基于步骤1构建PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系；
步骤3、基于步骤1及步骤2进行对比测试可行性验证及对比测试，实现PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的控制性能比较。
优选地，步骤1中确定PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的表现形式为：
PI控制器的表达式为
Figure BDA0002552363810000021
其中，Kp、Ki为其控制参数；
线性自抗扰控制器的表达式为
Figure BDA0002552363810000022
Figure BDA0002552363810000023
其中，z1为ym的观测值，z2为观测的扰动值，ym为传感器的反馈测量值，e0，e1为误差值，v1为控制器输入值，u为控制器输出值、b0为实际物理系统增益值，所述实际物理系统为线性自抗扰控制器控制的被控对象；
其中，a1、a2、c为线性自抗扰控制器的控制器参数值；
将公式2和公式3表达的线性自抗扰控制器进行频域变换得到其控制原理，线性自抗扰控制器频域变换表现成一个前馈环节和一个单位闭环的结构，控制器输入v1作为前馈环节F(s)的输入，F(s)的输出为之后的单位闭环输入，此值与传感器的反馈测量值ym作差后，输入给闭环控制器C(s)，经C(s)求解后得到闭环控制器输出值u，从而驱动被控对象进行相应动作，将传感器测量被控对象的动作所得到的值ym进行反馈，以此循环往复控制；
其中，
闭环控制器
Figure BDA0002552363810000031
前馈环节
Figure BDA0002552363810000032
优选地，步骤2.基于步骤1确定的PI控制器的表达式公式1，以及表达线性自抗扰控制器控制原理的公式4、和公式5，构建其参数映射关系。
优选地，步骤2中，对比PI控制器和线性自抗扰控制器，构建映射关系：
已知线性自抗扰控制器参数a1、a2、c，映射到PI控制器
Figure BDA0002552363810000033
Figure BDA0002552363810000034
已知PI控制器参数Kp、Ki，映射到线性自抗扰控制器
a1＝2ω0 (7)
Figure BDA0002552363810000035
Figure BDA0002552363810000036
其中，
Figure BDA0002552363810000037
优选地，步骤3中，通过步骤2构建的参数映射关系，进行化简，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系，其中，对比线性自抗扰控制器控制原理，将线性自抗扰闭环控制器C(s)等效为：由闭环频域基本相同的PI控制器与一个低通滤波环节
Figure BDA0002552363810000041
串联而成，这样PI控制器与线性自抗扰控制器的区别在于：线性自抗扰控制器比PI控制器多一个闭环的低通滤波环节和一个前馈环节F(s)，PI控制器加上一个低通滤波环节
Figure BDA0002552363810000042
和一个前馈环节F(s)则等效为线性自抗扰控制器；从而验证了通过PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系得到的两种控制器在对比测试的控制参数，来进行控制器在该控制频域特性下的控制性能比测是可信的，后续进行对比测试。
优选地，对比测试的方法为：
a)确定调整好PI控制器和线性自抗扰控制器其中一种控制器的控制参数；
b)通过步骤2中公式6或者公式7-10，得到另一控制器的控制参数；
c)通过试验，比较两种控制器在该控制参数得到的频域特性下的控制性能；
d)更改控制器参数，按照a-c步骤，测试两种控制器在新控制参数下得到的频域特性下的控制性能。
优选地，步骤3中，通过步骤2构建的参数映射关系，进行化简，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系具体是：将公式7至公式10代入公式4和公式5中，基于得到的结果，再对比公式1，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系。
优选地，该方法能够实现PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器在近似相同的控制校正频域曲线上进行控制性能对比。
本发明还提供了一种所述的方法在控制器控制性能测试技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明提出了PI控制器的控制参数和线性自抗扰控制器的控制参数的映射关系，通过PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系，得到两种控制器在对比测试过程中的控制参数，采用计算得到的控制参数进行控制器在该控制频域特性下的控制性能比测，使得两种控制器在近似相同的控制校正频域曲线上进行控制性能对比，通过该方法计算得到的两种控制器参数，使两种控制器在对比测试中参数获取标准一致，能够公平合理地对比测试两种控制器的性能差别，结果可信。
附图说明
图1为本发明提供的线性自抗扰控制器频域变换控制框图；
图2为本发明提供的PI控制器和线性自抗扰控制器频域关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供了一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法包括以下步骤：
步骤1.确定PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的表现形式：
PI控制器的表达式为
Figure BDA0002552363810000061
其中，Kp、Ki为其控制参数。
线性自抗扰控制器的表达式为
Figure BDA0002552363810000062
Figure BDA0002552363810000063
其中，z1为ym的观测值，z2为观测的扰动值，ym为传感器的反馈测量值，e0，e1为误差值，v1为控制器输入值，u为控制器输出值、b0为实际物理系统增益值，所述实际物理系统为线性自抗扰控制器控制的被控对象。
其中，a1、a2、c为线性自抗扰控制器的控制器参数值。
将公式2和公式3表达的线性自抗扰控制器进行频域变换得到其控制原理，如图1所示。
其中，
闭环控制器
Figure BDA0002552363810000064
前馈环节
Figure BDA0002552363810000065
图1中，线性自抗扰控制器频域变换可表现成一个前馈环节和一个单位闭环的结构。控制器输入v1作为前馈环节F(s)的输入，F(s)的输出为之后的单位闭环输入，此值与传感器的反馈测量值ym作差后，输入给闭环控制器C(s)，经C(s)求解后得到闭环控制器输出值u，从而驱动被控对象进行相应动作，将传感器测量被控对象的动作所得到的值ym进行反馈，与此循环往复控制；
步骤2.基于步骤1确定的PI控制器的表达式公式1，以及表达线性自抗扰控制器控制原理的公式4和公式5，构建其参数映射关系
对比PI控制器和线性自抗扰控制器，构建映射关系：
已知线性自抗扰控制器参数a1、a2、c，映射到PI控制器
Figure BDA0002552363810000071
Figure BDA0002552363810000072
已知PI控制器参数Kp、Ki，映射到线性自抗扰控制器
a1＝2ω0 (7)
Figure BDA0002552363810000073
Figure BDA0002552363810000074
其中，
Figure BDA0002552363810000075
步骤3、基于步骤1及步骤2进行对比测试可行性验证及对比测试
通过步骤2构建的参数映射关系，进行化简，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系，如图2所示。
具体地，将公式7至公式10代入公式4和公式5中，得到的结果可绘制成图1的形式，对比公式1，将图1等效成图2的形式，图2中，对比图1的线性自抗扰控制器频域变换控制框图，将线性自抗扰闭环控制器C(s)等效为：由闭环频域基本相同的PI控制器与一个低通滤波环节
Figure BDA0002552363810000081
串联而成。这样PI控制器与线性自抗扰控制器的区别在于：线性自抗扰控制器比PI控制器多一个闭环的低通滤波环节和一个前馈环节F(s)，可以看出，基于步骤2设计的参数映射关系，PI控制器加上一个低通滤波环节
Figure BDA0002552363810000082
和一个前馈环节(F(s))则等效为线性自抗扰控制器。
又由于PI控制器和线性自抗扰控制器的C(s)部分只是相差一个低通滤波环节，由于被控对象通常也只是工作在低频段，低通环节对通常控制器的低频频域影响不大。这样，在闭环控制部分，PI控制器和线性自抗扰控制器频域特性基本相同。就是说，通过参数映射，PI控制器和线性自抗扰控制器在闭环频域控制上能力大致相同，两种控制器的主要区别集中在F(s)的前馈部分。
通过参数映射，得到的PI控制器和线性自抗扰控制器闭环频域基本相同，说明两个控制器的控制性能相当，采用映射得到的参数，为两种控制器的控制性能比较提供了一个公平的测试参数体系。以上验证了通过PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系得到的两种控制器在对比测试的控制参数，来进行控制器在该控制频域特性下的控制性能比测是可信的，下面进行对比测试，测试方法为：
a)确定调整好PI控制器和线性自抗扰控制器其中一种控制器的控制参数；
b)通过步骤2中公式6或者公式7-10，得到另一控制器的控制参数；
c)通过试验，比较两种控制器在该控制参数得到的频域特性下的控制性能；
d)更改控制器参数，按照a-c步骤，测试两种控制器在新控制参数下得到的频域特性下的控制性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种PI控制器和线性自抗扰控制器对比测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.确定PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的表现形式；
步骤2.基于步骤1构建PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系；
步骤3、基于步骤1及步骤2进行对比测试可行性验证及对比测试，实现PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的控制性能比较。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中确定PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器的表现形式为：
PI控制器的表达式为
Figure FDA0002552363800000011
其中，Kp、Ki为其控制参数；
线性自抗扰控制器的表达式为
Figure FDA0002552363800000012
Figure FDA0002552363800000013
其中，z1为ym的观测值，z2为观测的扰动值，ym为传感器的反馈测量值，e0、e1为误差值，v1为控制器输入值，u为控制器输出值、b0为实际物理系统增益值，所述实际物理系统为线性自抗扰控制器控制的被控对象；
其中，a1、a2、c为线性自抗扰控制器的控制器参数值；
将公式2和公式3表达的线性自抗扰控制器进行频域变换得到其控制原理，线性自抗扰控制器频域变换表现成一个前馈环节和一个单位闭环的结构，控制器输入v1作为前馈环节F(s)的输入，F(s)的输出为之后的单位闭环输入，此值与传感器的反馈测量值ym作差后，输入给闭环控制器C(s)，经C(s)求解后得到闭环控制器输出值u，从而驱动被控对象进行相应动作，将传感器测量被控对象的动作所得到的值ym进行反馈，以此循环往复控制；
其中，
闭环控制器
Figure FDA0002552363800000021
前馈环节
Figure FDA0002552363800000022
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中基于步骤1确定的PI控制器的表达式公式1，以及表达线性自抗扰控制器控制原理的公式4、和公式5，构建其参数映射关系。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中，对比PI控制器和线性自抗扰控制器，构建映射关系：
已知线性自抗扰控制器参数a1、a2、c，映射到PI控制器
Figure FDA0002552363800000023
Figure FDA0002552363800000024
已知PI控制器参数Kp、Ki，映射到线性自抗扰控制器
a1＝2ω0 (7)
Figure FDA0002552363800000031
Figure FDA0002552363800000032
其中，
Figure FDA0002552363800000033
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，通过步骤2构建的参数映射关系，进行化简，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系，其中，对比线性自抗扰控制器控制原理，将线性自抗扰闭环控制器C(s)等效为：由闭环频域基本相同的PI控制器与一个低通滤波环节
Figure FDA0002552363800000034
串联而成，这样PI控制器与线性自抗扰控制器的区别在于：线性自抗扰控制器比PI控制器多一个闭环的低通滤波环节和一个前馈环节F(s)，PI控制器加上一个低通滤波环节
Figure FDA0002552363800000035
和一个前馈环节F(s)则等效为线性自抗扰控制器；从而验证了通过PI控制器和线性自抗扰控制器的参数映射关系得到的两种控制器在对比测试的控制参数，来进行控制器在该控制频域特性下的控制性能比测是可信的，后续进行对比测试。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对比测试的方法为：
a)确定调整好PI控制器和线性自抗扰控制器其中一种控制器的控制参数；
b)通过步骤2中公式6或者公式7-10，得到另一控制器的控制参数；
c)通过试验，比较两种控制器在该控制参数得到的频域特性下的控制性能；
d)更改控制器参数，按照a-c步骤，测试两种控制器在新控制参数下得到的频域特性下的控制性能。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3中，通过步骤2构建的参数映射关系，进行化简，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系具体是：将公式7至公式10代入公式4和公式5中，基于得到的结果，再对比公式1，得到PI控制器和线性自抗扰控制器的关系。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，该方法能够实现PI控制器和线性自抗扰控制器两种控制器在近似相同的控制校正频域曲线上进行控制性能对比。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的方法在控制器控制性能测试技术领域中的应用。
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