CN1124528C - 一种五元鲁棒控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种五元鲁棒控制系统及其控制方法属控制科学与工程领域。控制系统包含有三个基本模块：五元鲁棒控制器7，检测装置8及被控制对象9，其中五元鲁棒器的特征是增设了控制增量计算单元，单元中嵌入了一个五元控制计算模型6；控制方法的关键特征是五元控制计算模型6的运行，即在每一个采样时刻t，从记忆单元5中提取五元误差值，即：{e(t)，e(t-T₀)，e(t-2T₀)，e(t-3T₀)，e(t-4T₀)}，作为五元控制计算模型的输入，并与五元控制计算模型的五元参数{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5}进行加权求和运算，生成控制函数u(t)的增量Δu(t)，五元控制计算模型算法是：见右式(I)，其中，五元参数集合{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5}中参数的取值范围是见右式(II)，本发明具有良好的抗扰动能力、较强的驱使被控制量跟踪期望轨迹的能力，同时，具有节能、安全和可靠的控制特性。

Description

一种五元鲁棒控制系统及其控制方法

技术领域

一种五元鲁棒控制系统及其控制方法是以一般工业过程为被控制对象，属控制科学与工程领域。

背景技术

作为被控制对象，工业过程的结构、参数和环境都具有很多的不确定性。这些不确定性的存在，对控制器的鲁棒性提出了较高要求。目前，在工业生产过程中，控制装置仍然以PID控制器为主。PID控制器广泛应用于工业生产过程的原因在于，PID控制器简单，可靠，易于实现，并且具有较强的鲁棒性，无需被控制对象精确的数学模型。然而，对于多样性的工业过程，PID控制器的控制性能，包括其鲁棒性，仍然有很多局限性。目前应用于一般工业过程的控制器，包括PID控制器，还存在以下主要的缺陷：

(1)参数设定问题：面对多样性、复杂性和不确定性的工业过程，需要对控制器参数进行精细的设定，其安装和调试较为困难。

(2)鲁棒性问题：当被控制对象或环境发生变化，或控制器参数设定不准确时，控制系统的性能显著降低。

(3)运动轨迹问题：被控制量跟踪期望轨迹的能力较弱，过渡过程一般存在较大超调量；控制量和被控制量的运动轨迹欠平滑，不利于系统的节能和安全运行。

发明内容

本发明意在以一般工业过程为被控制对象研究一种五元鲁棒控制系统及其控制方法，使其无需依赖于被控制对象的数学模型，无需对其参数进行精细的整定，即能适用于一般的工业过程。

本发明的五元鲁棒控制系统结构及其五元鲁棒控制器结构，见图2和图1。五元鲁棒系统包含有三个基本模块：五元鲁棒控制器7，检测装置8及被控制对象9，其中，检测装置8检测被控制对象9的被控制量y(t)，y(t)与期望值r(t)进行比较后形的成误差信号e(t)输入五元鲁棒控制器7，五元鲁棒控制器7计算并输出控制增量Δu(t)以控制其被控制对象9，五元鲁棒器7包括有A/D模数转换单元1、D/A数模转换单元2、光电隔离单元3、初始化单元4和记忆单元5，本发明的特征是该五元鲁棒控制器7还包括按通常技术设置的控制增量计算单元，但该单元中嵌入了一个五元控制计算模型6，控制增量计算单元中的五元控制计算模型6的输入信号取之记忆单元5，控制增量计算单元中的五元控制计算模型6的输出信号与记忆单元5中存储的控制信号共同作用于被控制对象9。

本发明的五元鲁棒系统的控制方法具有计算控制增量的五元鲁棒控制器7，其特征在于，按如下步骤嵌实现控制增量和控制量的计算：

第一步.初始化单元(4)，在系统起始状态，即t＝0时刻，设定五元误差值：

  e(-4T₀)＝e(-3T₀)＝e(-2T₀)＝e(-T₀)＝e(0)＝r(0)-y(0)其中，T₀是控制系统的采样时间间隔；

第二步.A/D模数转换单元1，在每一个采样时刻t，将被控制系统t时刻输出的模拟信号y(t)及其期望值r(t)输入五元鲁棒控制器，并将它们转换为数字信号；

第三步.记忆单元5，在每一个采样时刻t，计算系统误差值e(t)＝r(t)-y(t)；对于当前时刻t，记忆单元计算并存储{t-4T₀，t-3T₀，t-2T₀，t-4T₀，t}五个时刻的五元误差值，即：{e(t)，e(t-T₀)，e(t-2T₀)，e(t-3T₀)，e(t-4T₀)}；同时，记忆上一时刻，即t-T₀时刻五元鲁棒控制器输出的控制量u(t-T₀)；

第四步.五元控制计算模型6在每一个采样时刻t，从记忆单元5中提取五元误差值，即：{e(t)，e(t-T₀)，e(t-2T₀)，e(t-3T₀)，e(t-4T₀)}，作为五元控制计算模型的输入，并与五元控制计算模型6的五元参数{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5 }进行加权求和运算，生成控制函数u(t)的增量Δu(t)，五元控制计算模型算法是：其中，五元参数集合{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5}中参数的取值范围是：

                    +0.20≤α⁽¹⁾≤+0.60

                    -0.60≤α⁽²⁾≤-0.20

                    +0.06≤α⁽³⁾≤+0.09

                    -0.02≤α⁽⁴⁾≤-0.01

                    +0.01≤α⁽⁵⁾≤+0.02

第五步.D/A数模转换单元2，在每一个采样时刻t，将五元鲁棒控制器计算结果u(t)，即控制系统t时刻的控制量u(t)转换为模拟信号，并予以输出。

在五元参数值范围的约束下，五元鲁棒控制器无需被控制对象的数学模型，无需对其参数进行精细的整定，即能适用于一般的工业过程。

本发明具有良好的抗扰动能力，在被控制对象和环境变化时，仍能保持良好的控制性能；具有较强的驱使被控制量跟踪期望轨迹的能力，能基本消除被控制量过渡过程的超调现象；同时，具有节能、安全和可靠的控制特性。

附图说明图1：五元鲁棒控制器结构图

1、D/A数模转换单元

2、A/D模数转换单元

3、光电隔离单元

4、初始化单元

5、记忆单元

6、五元控制计算模型图2：基于五元鲁棒控制器的控制系统结构图

7、五元鲁棒控制器

8、检测装置

9、被控制对象图3-图17被控制对象A实验曲线

共14组实验，编号分别为：A00-A13，其中：

图3(a)、(b)-图16(a)、(b)为输出响应曲线。图3(a)-图16(a)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示五元鲁棒控制器控制下系统的输出响应值；图3(b)-图16(b)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示PID控制下系统的输出响应值。

图17(a)、(b)为实验A13控制函数曲线。图17(a)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示五元鲁棒控制器输出的控制量；图17(b)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示PID控制器输出的控制量。

K：被控制对象A的增益图

T：被控制对象A的时间常数

τ：被控制对象A的纯迟后时间

K_error：被控制对象A的增益误差

T_error：被控制对象A的时间常数误差

τ_error：被控制对象A的纯迟后时间误差

DisV：被控制对象A受扰动的幅度

DisT：扰动出现的时刻

DisW：扰动持续的时间图18-图32被控制对象B实验曲线

共14组实验，编号分别为：B00-B13，其中：

图18(a)、(b)-图31(a)、(b)为输出响应曲线。图18(a)-图31(a)中横坐标表示时间(秒)，纵标表示五元鲁棒控制器控制下系统的输出响应值；图18(b)-图31(b)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示PID控制下系统的输出响应值。

图32(a)、(b)为实验B13控制函数曲线。图32(a)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示五元鲁棒控制器输出的控制量；图32(b)中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示PID控制器输出的控制量。

K：被控制对象B的增益

T：被控制对象B的时间常数

τ：被控制对象B的纯迟后时间

K_error：被控制对象B的增益误差

T_error：被控制对象B的时间常数误差

τ_error：被控制对象B的纯迟后时间误差

DisV：被控制对象B受扰动的幅度

DisT：扰动出现的时刻

DisW：扰动持续的时间

具体实施方式

(1)五元鲁棒控制器的实现

五元鲁棒控制器可由专用的工业控制计算机、普通的个人电脑、单片微机、数字信号处理器、LonWorks神经元芯片、数字逻辑电路等实现。本实施例采用了LonWorks神经元芯片，使五元鲁棒控制器能通过LonWorks总线成为LonWorks网络中的控制节点。

基于LonWorks神经元芯片实现的五元鲁棒控制器见图1。

(2)基于五元鲁棒控制器的控制系统结构

基于五元鲁棒控制器的控制系统结构见图2，包含三个基本模块：1)五元鲁棒控制器7，2)检测装置8，3)被控制对象9。本实施例选用具有纯迟后的一阶惯性环节作为实验的被控制对象，其数学模型如下： $\frac{y\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{K}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{\τs}}$ 其中，K为被控制对象增益，T为被控制对象时间常数，τ为被控制对象纯迟后时间。

(3)五元参数设定

实施例一：

设有基准被控制对象A，其模型参数为：

                   K＝10  T＝100s  τ＝10设定被控制对象A的五元鲁棒控制器参数α⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3，4，5)为：α⁽¹⁾＝0.502519，α⁽²⁾＝-0.562464，α⁽³⁾＝0.068525，α⁽⁴⁾＝-0.012500，α⁽⁵⁾＝0012500。

实施例二：

设有基准被控制对象B，其模型参数为：

                   K＝15  T＝150s  τ＝15设定被控制对象B的五元鲁棒控制器参数α⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3，4，5)为：α⁽¹⁾＝0.286706，α⁽²⁾＝-0.351735，α⁽³⁾＝0.084658，α⁽⁴⁾＝-0.017525，α⁽⁵⁾＝0.01566。

(3)对比实验

作为对比，依照基准被控制对象模型参数设计经典的PID控制器，并对被控制对象分别实施五元鲁棒控制和PID控制，对五元鲁棒控制器和PID控制器在被控制对象模型参数K，T，τ在[-50％，+100％]误差范围内的控制行为进行对比实验研究。对比实验的结果见图13-图32。

(4)实验结果和结论

由图3-图16和图18-图31可知，在五元鲁棒控制器控制下，被控制对象响应曲线十分平滑，具有较小的超调量，甚至无超调量；当被控制对象参数发生大范围变化，或系统出现扰动时，PID控制已出现不稳定，而五元鲁棒控制器仍然能驱使被控制对象保持良好的动态行为。

由图17和图32可知，与PID控制器相比，五元鲁棒控制器的控制函数曲线极为平滑，变化幅度小，有利于系统的节能和安全可靠的运行。

实验结果表明：五元控制器具有极强的鲁棒性、优良的控制性能，以及良好的节能和安全特性。

Claims (2)

1、一种五元鲁棒控制系统包含有三个基本模块：五元鲁棒控制器(7)，检测装置(8)及被控制对象(9)，其中，检测装置(8)检测被控制对象(9)的被控制量y(t)，y(t)与期望值r(t)进行比较后形的成误差信号e(t)输入五元鲁棒控制器(7)，五元鲁棒控制器(7)计算并输出控制增量Δu(t)以控制其被控制对象(9)，五元鲁棒控制器(7)包括有A/D模数转换单元(1)、D/A数模转换单元(2)、光电隔离单元(3)、初始化单元(4)和记忆单元(5)，本发明的特征是该五元鲁棒控制器(7)还包括按通常技术设置的控制增量计算单元，但该单元中嵌入了一个五元控制计算模型(6)，控制增量计算单元中的五元控制计算模型(6)的输入信号取之记忆单元(5)，控制增量计算单元中的五元控制计算模型(6)的输出信号与记忆单元(5)中存储的控制信号共同作用于被控制对象(9)。

2、根据权利要求1所述的一种五元鲁棒控制系统，具有计算控制增量的五元鲁棒控制器(7)，其特征在于，按如下步骤嵌实现控制增量和控制量的计算：

第一步.初始化单元(4)，在系统起始状态，即t＝0时刻，设定五元误差值：

          e(-4T₀)＝e(-3T₀)＝e(-2T₀)＝e(-T₀)＝e(0)＝r(0)-y(0)其中，T₀是控制系统的采样时间间隔；

第二步.A/D模数转换单元(1)，在每一个采样时刻t，将被控制系统t时刻输出的模拟信号y(t)及其期望值r(t)输入五元鲁棒控制器，并将它们转换为数字信号；

第三步.记忆单元(5)，在每一个采样时刻t，计算系统误差值e(t)＝r(t)-y(t)；对于当前时刻t，记忆单元计算并存储{t-4T₀，t-3t₀，t-2T₀，t-4T₀，t}五个时刻的五元误差值，即：{e(t)，e(t-T₀)，e(t-2t₀)，e(t-3t₀)，e(t-4T₀)}；同时，记忆上一时刻，即t-T₀时刻五元鲁棒控制器输出的控制量u(t-T₀)；

第四步.五元控制计算模型(6)在每-个采样时刻t，从记忆单元(5)中提取五元误差值，即：{e(t)，e(t-T₀)，e(t-2T₀)，e(t-3T₀)，e(t-4T₀)}，作为五元控制计算模型的输入，并与五元控制计算模型(6)的五元参数{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5}进行加权求和运算，生成控制函数u(t)的增量Δu(t)，五元控制计算模型算法是：其中，五元参数集合{α⁽ⁱ⁾|i＝1，2，3，4，5}中参数的取值范围是：

                       +0.20≤α⁽¹⁾≤+0.60

                       -0.60≤α⁽²⁾≤-0.20

                       +0.06≤α⁽³⁾≤+0.09

                       -0.02≤α⁽⁴⁾≤-0.01

                       +0.01≤α⁽⁵⁾≤+0.02

第五步.D/A数模转换单元(2)，在每一个采样时刻t，将五元鲁棒控制器计算结果u(t)，即控制系统t时刻的控制量u(t)转换为模拟信号，并予以输出。

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