CN114326400B - 一种一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法 - Google Patents

一种一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法 Download PDF

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CN114326400B CN202111615899.4A CN202111615899A CN114326400B CN 114326400 B CN114326400 B CN 114326400B CN 202111615899 A CN202111615899 A CN 202111615899A CN 114326400 B CN114326400 B CN 114326400B
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Abstract

本发明提供一种一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法,本发明的一阶线性自抗扰控制系统,相比于现有的一阶线性自抗扰控制系统,需要整定的参数由4个减少为2个,简化了参数整定过程,缩短了参数整定时间。本发明的一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方法,分别针对一阶惯性系统、一阶惯性延迟系统以及无超调的高阶惯性系统提出了参数整定最优公式,采用本发明参数整定方法进行控制的控制效果与传统PI控制方法相比,对于无延迟对象,本发明的控制效果全方位优于传统PI控制方法,对于一阶惯性延迟系统以及无超调的高阶惯性系统,本发明的控制效果与传统PI控制方法基本相同。

Description

一种一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法
技术领域:
本发明属于自动化技术领域,具体涉及一种一阶线性自抗扰控制系统及其参数整定方法。
背景技术:
在自抗扰控制技术领域中,目前广泛使用的低阶线性自抗扰控制器通常是一阶线性自抗 扰控制系统和二阶线性自抗扰控制系统。由于一阶线性自抗扰控制系统比二阶线性自抗扰控 制系统使用更简单,调节参数更少,使用一阶线性自抗扰控制系统又比二阶线性自抗扰控制 系统更广泛。
在一阶线性自抗扰控制系统的实际应用中,最大问题在于参数整定,目前对于一阶线性 自抗扰控制系统的参数整定方法较为繁琐,需要整定的参数较多,并且缺少一阶线性自抗扰 控制系统对于延迟对象,以及一阶线性自抗扰控制系统控制高阶对象的参数整定方法的研究。
发明内容:
为解决现有技术中存在的问题,本发明提供一种一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方 法,本发明的另一目的在于提供一种一阶线性自抗扰控制系统。
本发明的技术方案如下:
一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方法,包括以下步骤:
1)基于所述线性一阶自抗扰控制器在被控对象的控制系统上进行控制逻辑组态;包括定 义线性误差反馈律的带宽ωc与扩张状态观测器的带宽ω0之比为λ和一阶线性自抗扰控制器 的带宽为ωA,其中,
Figure BDA0003436794610000011
则ωc=(1+2λ)ωA
Figure BDA0003436794610000012
2)获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T和延迟时间τ,并进一步获取λ的取值、扩张状态观测器的控制量增益b0的取值和一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA的取值;
3)计算出扩张状态观测器的参数β1,β2和线性误差反馈控制律的参数k1,最后将β1,β2, b0,k1设置到控制逻辑组态中,并投入运行;
其中,k1=ωc=(1+2λ)ωA
Figure BDA0003436794610000013
优选地,步骤2中,对于被控对象为一阶惯性无延迟系统,其传递函数为
Figure BDA0003436794610000021
先获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T,该被控对象的延迟时间τ=0;再设置该被控对象对应的λ值,λ的取值范围为λ>0;
进而计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA和扩张状态观测器的控制量增益b0;其中,
Figure BDA0003436794610000022
Figure BDA0003436794610000023
优选地,λ=0.1。
优选地,所述获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T的具体步骤如下:
现场采用飞升曲线法获取多工况下被控对象的稳态增益K的变化范围[Kmin,Kmax]以及惯 性时间T的变化范围[Tmin,Tmax];
多工况下被控对象的稳态增益K以及惯性时间T按如下方法获取:
T在0.5Tmax和Tmin取较大值,
Figure BDA0003436794610000024
优选地,步骤2中,对于被控对象为一阶惯性延迟系统,其传递函数为:
Figure BDA0003436794610000025
则现场采用飞升曲线法获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T和延迟时间τ;
再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure BDA0003436794610000026
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;
令b0的初值为
Figure BDA0003436794610000027
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等 于5%;b0的取值范围为
Figure BDA0003436794610000028
优选地,步骤2中,对于被控对象为无超调的高阶惯性系统,通过现场采用飞升曲线法 或通过对传递函数进行化简的方法获取该被控对象的稳态增益K、惯性时间T1和延迟时间τ1
再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure BDA0003436794610000029
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;
令b0的初值为
Figure BDA0003436794610000031
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等 于5%;b0的取值范围为
Figure BDA0003436794610000032
优选地,所述被控对象对应的λ的初值为10。
一种一阶线性自抗扰控制系统,包括被控对象和一阶线性自抗扰控制器,所述一阶线性 自抗扰控制器包括扩张状态观测器、线性误差反馈控制律和自抗扰总扰动补偿律;
定义线性误差反馈律的带宽ωc与扩张状态观测器的带宽ω0之比为λ,
Figure BDA0003436794610000033
定义一阶线性自抗扰控制器的带宽为ωA,令
Figure BDA0003436794610000034
则误差反馈控制律带宽ωc=(1+2λ)ωA
扩张状态观测器参数带宽
Figure BDA0003436794610000035
优选地,所述扩张状态观测器表达式为:
Figure BDA0003436794610000036
式中,u为被控对象的输入;y为被控对象的输出;zi为扩张状态观测器的输出,i=1,2;
其中,
Figure BDA0003436794610000037
ω0为扩张状态观测器的带宽,b0是扩张状态观测器的控制量增益;βi为扩张状态观测器 的参数,i=1,2,
Figure BDA0003436794610000038
所述线性误差反馈控制律表达式为:u0=k1(v0-z1);
式中,v0为设定值;k1为线性误差反馈控制律的参数,k1=ωc=(1+2λ)ωA;ωc为线性误 差反馈律的带宽;
所述自抗扰总扰动补偿律表达式为:u=(u0-z2)/b0
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
本发明提供一种一阶线性自抗扰控制系统,相比于现有的一阶线性自抗扰控制系统需要 整定的参数{β1,β2,b0,k1},本发明的一阶线性自抗扰控制系统需要整定的参数只有{ωA, b0},需要整定的参数由4个减少为2个,简化了参数整定过程,缩短了参数整定时间。
本发明提供一种一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方法,该参数整定方法分别针对一 阶惯性系统、一阶惯性延迟系统以及无超调的高阶惯性系统提出了参数整定最优公式,采用 本发明参数整定方法进行控制的控制效果与传统PI控制方法相比,对于无延迟对象,本发明 的控制效果全方位优于传统PI控制方法,对于一阶惯性延迟系统以及无超调的高阶惯性系统, 本发明的控制效果与传统PI控制方法基本相同。
本发明适用于工业过程控制领域,尤其适用于火电厂、电机、石油化工,冶金钢铁以及 汽车自动驾驶等过程控制领域。
附图说明:
图1为一阶线性自抗扰控制系统的系统框图;
图2为一阶惯性无延迟系统
Figure BDA0003436794610000041
整定参数为b0=1,λ=0.1,ωA=1的闭环阶跃 响应曲线图;
图3为一阶惯性无延迟系统
Figure BDA0003436794610000042
整定参数λ分别取0.1、1和10对应的闭环阶跃 响应曲线图;
图4为一阶惯性无延迟系统
Figure BDA0003436794610000043
稳态增益
Figure BDA0003436794610000044
分别取1、5、10和20对应的闭环 阶跃阶跃响应曲线图;
图5为一阶惯性无延迟系统的根轨迹图;
图6为图5的放大示意图;
图7为一阶惯性无延迟系统
Figure BDA0003436794610000045
整定参数b0=1,ωA=1,选λ=0.1的闭环阶 跃响应曲线图;
图8为采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=1时,T分别为0.2、1和2 的闭环阶跃响应曲线图;
图9为采用传统PI控制方法,当被控对象K=1时,T分别为0.2、1和2的闭环阶跃响应曲线图;
图10为采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=1.5时,T分别为0.2、1 和2的闭环阶跃响应曲线图;
图11为采用传统PI控制方法,当被控对象K=1.5时,T分别为0.2、1和2的闭环阶跃响应曲线图;
图12为采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=0.5时,T分别为0.2、1 和2的闭环阶跃响应曲线图;
图13为采用传统PI控制方法,当被控对象K=0.5时,T分别为0.2、1和2的闭环阶跃响应曲线图;
图14为采用本发明控制系统及参数整定方法,b0分别取11.5、12和13.7时的闭环阶跃 响应曲线图;
图15为本发明控制系统及参数整定方法在λ分别取0.1、1和10时与传统PI控制方法的 控制效果对比图;
图16为机组的过热汽温模型和过热汽温简化模型的开环阶跃响应示意图;
图17为采用本发明控制系统及参数整定方法在λ=0.1时过热汽温模型和过热汽温简化 模型的闭环阶跃响应曲线图;
图18为采用本发明控制系统及参数整定方法在λ=10时过热汽温模型和过热汽温简化模 型的闭环阶跃响应曲线图。
具体实施方式:
实施例一:
本例的一种一阶线性自抗扰控制系统,如图1所示,包括被控对象和一阶线性自抗扰控 制器,一阶线性自抗扰控制器包括扩张状态观测器、线性误差反馈控制律和自抗扰总扰动补 偿律。
定义线性误差反馈律的带宽ωc与扩张状态观测器的带宽ω0之比为λ,
Figure BDA0003436794610000051
定义一阶线性自抗扰控制器的带宽为ωA,令
Figure BDA0003436794610000052
则误差反馈控制律带宽ωc=(1+2λ)ωA
扩张状态观测器带宽
Figure BDA0003436794610000053
实施例二:
本例的进一步设计在于:本例中,扩张状态观测器表达式为:
Figure BDA0003436794610000061
式中,u为被控对象的输入;y为被控对象的输出;zi为扩张状态观测器的输出,i=1,2;
其中,
Figure BDA0003436794610000062
ω0为扩张状态观测器的带宽;b0是扩张状态观测器的控制量增益;βi为扩张状态观测器 的参数,i=1,2,
Figure BDA0003436794610000063
线性误差反馈控制律表达式为:u0=k1(v0-z1);
式中,v0为设定值;k1为线性误差反馈控制律的参数,k1=ωc=(1+2λ)ωA;ωc为线性误 差反馈律的带宽;
自抗扰总扰动补偿律表达式为:u=(u0-z2)/b0
实施例三:
本例的一种一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方法,包括以下步骤:
1)基于线性一阶自抗扰控制器在被控对象的控制系统上进行控制逻辑组态;包括定义线 性误差反馈律的带宽ωc与扩张状态观测器的带宽ω0之比为λ和一阶线性自抗扰控制器的带 宽为ωA,其中,
Figure BDA0003436794610000064
则ωc=(1+2λ)ωA
Figure BDA0003436794610000065
被控对象的 控制系统包括DCS系统和PLC系统。
2)获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T和延迟时间τ,并进一步获取λ的取值、扩张状态观测器的控制量增益b0和一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
3)计算出扩张状态观测器的参数β1,β2和线性误差反馈控制律的参数k1,最后将β1,β2, b0,k1设置到控制逻辑组态中,并投入运行;
其中,k1=ωc=(1+2λ)ωA
Figure BDA0003436794610000066
实施例四:
本例被控对象为一阶惯性无延迟系统对象模型,其传递函数为
Figure BDA0003436794610000071
该 被控对象的延迟时间τ=0;
此对象模型使用一阶线性ADRC控制系统来控制,一阶线性ADRC的微分方程和状态反 馈见实施例二。
一阶线性ADRC按传递函数展开后,有u=Gv(s)v0-Gy(s)y,
其中
Figure BDA0003436794610000072
ωc为线性误差反馈律的带宽,ω0为扩张状态观测器的带宽,b0为扩张状态观测器的控制 量增益;
线性ADRC和控制对象组合后的闭环传递函数是
Figure BDA0003436794610000073
其闭环特征方程
Figure BDA0003436794610000074
当对象是定常系数,如果令
Figure BDA0003436794610000075
那么Gy(s)零点和对象极点对消,可以简 化闭环特征方程。
如果再令
Figure BDA0003436794610000076
可以推出ωc=(1+2λ)ωA
Figure BDA0003436794610000077
受此启发,一阶线性ADRC的参数由{β1,β2,b0,k1}变为{ω0,b0,ωc},再变为{ωA,λ,b0}。而
Figure BDA0003436794610000078
可以看作一个常数,只要λ>0即可。因此,一阶线性ADRC实际只需 要调节两个参数{ωA,b0}。
同时,也可以获得一阶线性ADRC的一组整定参数为
Figure BDA0003436794610000079
本例以一阶惯性无延迟标幺系统
Figure BDA00034367946100000710
为被控对象,该被控对象的稳态增益和惯性 时间分别为:K=1,T=1,采用本发明的参数整定方法获取的一阶线性ADRC整定参数分别 为b0=1,ωA=1,令λ=0.1,可以获得ωc=1.2,ω0=12,进而推出k1=1.2,β1=24,β2=144。 其闭环阶跃响应曲线如图2所示,由图2可知,开环响应和闭环响应基本重合,响应时间大 约3秒。
实施例五:
本例对实施例四中的被控对象进行模拟仿真,改变一阶线性ADRC整定参数中λ的取值, λ分别取0.1、1和10,其他整定参数不变,其闭环阶跃响应曲线如图3所示,由图3可知, λ≤1曲线比较理想,λ>1虽然在调节时间上快一点,但曲线不是单调光滑的,有曲折。考虑 到鲁棒性要求,优选λ=0.1
实施例六:
当一阶线性ADRC参数定常,能控制性能好的对象之范围。
不失一般性,假设在对象
Figure BDA0003436794610000081
时,我们确定一阶线性ADRC参数为
Figure BDA0003436794610000082
Figure BDA0003436794610000083
λ=0.1。
当考虑对象参数K、T变化时,将对象表示为
Figure BDA0003436794610000084
以下讨论
Figure BDA0003436794610000085
Figure BDA0003436794610000086
的变化范围:
闭环传递函数是
Figure BDA0003436794610000087
又由于
Figure BDA0003436794610000088
Figure BDA0003436794610000089
Figure BDA00034367946100000810
代入
Figure BDA00034367946100000811
λ=0.1,整理得
Figure BDA0003436794610000091
对于标幺控制对象
Figure BDA0003436794610000092
T=1,K=1,采用本发明的参数整定方法获取的一阶线 性ADRC整定参数分别为
Figure BDA0003436794610000093
λ=0.1。
仅仅改变对象的稳态增益,则
Figure BDA0003436794610000094
令稳态增益
Figure BDA0003436794610000095
分别取1、5、10、20,对应得 到的闭环阶跃响应曲线图如图4所示。
由图4可知,虽然闭环阶跃响应没有超调,但在初始阶段随着稳态增益
Figure BDA0003436794610000096
的增大,有振 荡,通常要求
Figure BDA0003436794610000097
不超过10K,即
Figure BDA0003436794610000098
于是
Figure BDA0003436794610000099
都满足要求。
转换后:
Figure BDA00034367946100000910
对上式进行时间尺度变换,将Ts变换为s,则得:
Figure BDA00034367946100000911
Figure BDA00034367946100000912
保持不变,即
Figure BDA00034367946100000913
Figure BDA00034367946100000914
代入得:
Figure BDA00034367946100000915
即可画出随增益K变化的根轨迹图,如图5所示,获得K的范围,由于
Figure BDA00034367946100000916
同时获得
Figure BDA00034367946100000917
的范围。
由于决定闭环响应的极点主要为最靠近原点的一对共轭复数,根轨迹在远点附近的放大 示意图如图6所示。
阻尼比大于0.707的最小
Figure BDA00034367946100000918
此时闭环响应曲线最大超调量不超过5%,因此
Figure BDA00034367946100000919
都满足闭环响应曲线最大超调量不超过5%。
对于被控对象
Figure BDA00034367946100000920
采用本发明的参数整定方法获取的一阶线性ADRC参数b0=1,ωA=1,选λ=0.1,则ωc=1.2,ω0=12,其闭环阶跃响应曲线如图7所示,系统超调 4.51%,和上述根轨迹的推导结果相似。
总结:如果
Figure BDA0003436794610000101
代表控制对象的惯性时间变慢了,此时选择
Figure BDA0003436794610000102
相当于用快的 控制器控制慢的控制过程,导致超调的发生;反之
Figure BDA0003436794610000103
代表控制对象的惯性时间变快了, 此时选择
Figure BDA0003436794610000104
相当于用慢的控制器控制快的控制过程,导致闭环的调节时间慢于开环的 调节时间。
因此一阶线性ADRC的参数
Figure BDA0003436794610000105
λ=0.1,能控制的一阶对象的参数的 范围:当稳态增益不变时惯性时间在(0.1T,4.5T)范围,当惯性时间不变时稳态增益在(0, 10K)范围,两者都变时的最佳范围:惯性时间在(0.5T,2T)范围且稳态增益在(0,5K)范围。
现场采用飞升曲线法获取多工况下被控对象的稳态增益K的变化范围[Kmin,Kmax]以及惯 性时间T的变化范围[Tmin,Tmax];
多工况下被控对象的稳态增益K以及惯性时间T按如下方法获取:
T在0.5Tmax和Tmin取较大值,
Figure BDA0003436794610000106
实际上
Figure BDA0003436794610000107
实施例七:
本例以标幺对象
Figure BDA0003436794610000108
为被控对象,分别采用本发明的控制系统及参数整定方法 以及传统PI控制方法对该对象进行模拟仿真,对比两种方法下的控制效果,具体模拟仿真过 程如下:
采用本发明参数整定方法获取的一阶ADRC整定参数分别为b0=1, λ=0.1,ωc=1.2,ω0=12。采用传统PI控制方法参数为ωc=1,kP=1。
采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=1时,T分别为0.2,1,2的闭环 阶跃响应曲线图如图8所示。
采用传统PI控制方法,当被控对象K=1时,T分别为0.2,1,2的闭环阶跃响应曲线图 如图9所示。
采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=1.5时,T分别为0.2,1,2的闭环 阶跃响应曲线图如图10所示。
采用传统PI控制方法,当被控对象K=1.5时,T分别为0.2,1,2的闭环阶跃响应曲线 图如图11所示。
采用本发明控制系统及参数整定方法,当被控对象K=0.5时,T分别为0.2,1,2的闭环 阶跃响应曲线图如图12所示。
采用传统PI控制方法,当被控对象K=0.5时,T分别为0.2,1,2的闭环阶跃响应曲线 图如图13所示。
对图8~图13分析可知,传统PI控制方法受对象参数影响明显,在快速系统里,调节时 间明显变慢,在慢速系统里,又有超调。
将采用本发明控制系统及参数整定方法和传统PI控制方法对比,可以发现,采用本发明 控制系统及参数整定方法的鲁棒性明显强于传统PI控制方法,T参数变化22.5倍(0.2T到 4.5T),K参数变化±50%,一阶线性ADRC的闭环响应基本无超调,且调节时间始终在3秒 左右。
实施例八:
本例对于被控对象为一阶惯性延迟系统对象模型(单容对象)进行分析,其传递函数为:
Figure BDA0003436794610000111
该对象模型通常使用一阶线性ADRC控制系统进行控制。
闭环特征方程
Figure BDA0003436794610000112
当对象是定常系数,如果Gy(s)和对象可以零极点对消,那么即
Figure BDA0003436794610000113
可以得到此时 闭环特征方程变为
Figure BDA0003436794610000114
Figure BDA0003436794610000121
为开环增益可以画出根轨迹图,根据根轨迹,如果对象是自衡系统,且控制器 安排的极点也在负半平面,第一个到达虚轴的根的增益值,就是稳定性的条件。
用s=jω代入,可以得
Figure BDA0003436794610000122
推导出两个方程
Figure BDA0003436794610000123
Figure BDA0003436794610000124
下式可以求出
Figure BDA0003436794610000125
这是一个超越方程,ω没有代数解,但当参数已知 的话,可以求出ω数值解。从下式,还可以得到:
Figure BDA0003436794610000126
代入上式有
Figure BDA0003436794610000127
Figure BDA0003436794610000128
为闭环稳定性的充分条件。充要条件是
Figure BDA0003436794610000129
但由 于
Figure BDA00034367946100001210
需要通过求解超越方程
Figure BDA00034367946100001211
来获得τω的值,所以使用充分条件也足够。
一阶惯性延迟系统对象模型的稳态增益K、惯性时间T、λ的取值、扩张状态观测器的控 制量增益b0和一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA按如下方法获取:
现场采用飞升曲线法获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T,同时获取被控对象的延 迟时间τ;
再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure BDA0003436794610000131
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;本例中为了达到和PI控制器一样的闭环调节 时间,被控对象对应的λ的初值为10。
令b0的初值为
Figure BDA0003436794610000132
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等 于5%;b0的取值范围为
Figure BDA0003436794610000133
实施例九:
本例分别采用本发明的控制系统及参数整定方法以及传统PI控制方法控制对相同被控对 象进行模拟仿真控制,对比两种方法下的控制效果,具体模拟仿真过程如下:
首先以一阶惯性延迟系统
Figure BDA0003436794610000134
为被控对象进行模拟仿真,采用本发明的参数整 定方法获取的一阶ADRC整定参数为
Figure BDA0003436794610000135
如果令λ=0.1,则ωc=1.2,ω0=12,可以求出 稳定性条件b0>6.857。
初值为2倍的稳定性条件,即b0=13.7。
再自初值逐渐减小b0,依次取13.7、12和11.5,使得闭环控制满足系统超调量小于等于 5%,在时b0=11.5,超调4.81%,调节时间3.94秒,最后闭环阶跃响应曲线如图14所示。
采用传统PI控制方法对上述一阶惯性延迟系统
Figure BDA0003436794610000136
进行模拟仿真,传统PI控 制参数为ωc=1,kP=0.5,闭环阶跃响应曲线如图15所示,由图15可知,系统超调量4.05%, 调节时间3.36秒,比本发明的控制系统以及参数整定方法稍快一点,快了16%。
依次改变λ=0.1、1、10,对应的b0=11.5,b0=5.7,b0=6.7,本发明控制系统及参数 整定方法与传统PI控制方法的闭环阶跃响应曲线图如图15所示,根据图15可知,本发明控 制系统及参数整定方法可以和传统PI控制方法具有相同的快速性。
实施例十:
对于被控对象为无超调的高阶惯性系统,其稳态增益K、惯性时间T、λ的取值、扩张状 态观测器的控制量增益b0和一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA按如下方法获取:
首先通过现场采用飞升曲线法或通过对其传递函数进行化简获取该被控对象的稳态增益 K、惯性时间T1,同时获取被控对象的延迟时间τ1;其中对传递函数进行化简的具体方法如下:
无超调的高阶惯性对象的传递函数一般表达式为:
Figure BDA0003436794610000141
标幺化后为:
Figure BDA0003436794610000142
其中
Figure BDA0003436794610000143
为n阶系统的时间尺度,
Figure BDA0003436794610000144
为稳态增益。
其它系数关系
Figure BDA0003436794610000145
阶跃响应无超调的n阶系统可以简化为一阶惯性延迟系统:
Figure BDA0003436794610000146
式中,y为被控对象的输出;u为被控对象的输入;T为n阶被控对象的惯性时间常数, T1为简化的一阶对象的惯性时间常数,K为被控对象的稳态增益,τ为简化的一阶对象的延迟 时间。
再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure BDA0003436794610000147
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;本例中为了达到和PI控制器一样的闭环调节 时间,被控对象对应的λ的初值为10。
令b0的初值为
Figure BDA0003436794610000151
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等 于5%;b0的取值范围为
Figure BDA0003436794610000152
实施例十一:
本例基于本发明的控制系统及其参数整定方法,对某330MW循环流化床机组主汽温控 制系统进行自动控制,该机组的主汽温系统模型如下
Figure BDA0003436794610000153
其中,P1(s)为导前区模型(℃/%),P2(s)为惰性区模型(℃/℃)。
则该系统近似5阶系统模型(过热汽温模型)和化简后的FOPTD模型(过热汽温简化模 型)分别如下:
Figure BDA0003436794610000154
其中参数:K=-2.51,T=80,τ=84.2。
该机组的过热汽温模型和过热汽温简化模型的开环阶跃响应如图16所示。
采用本发明的参数整定方法获取的整定参数为λ=0.1,
Figure BDA0003436794610000155
调节b0=0.39,该系统 的闭环阶跃响应曲线如图17所示,闭环调节时间325秒。可见针对高阶对象,只要知道它的 一阶简化模型,就可以进行参数整定,并获得理想的闭环响应曲线。
采用本发明的参数整定方法获取的整定参数为λ=10,
Figure BDA0003436794610000156
调节b0=0.23,该系统 的闭环阶跃响应曲线如图18所示,闭环调节时间271秒,快了16.6%。可见当λ=10时,闭 环调节时间更快。

Claims (3)

1.一阶线性自抗扰控制系统的参数整定方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)基于线性一阶自抗扰控制器在被控对象的控制系统上进行控制逻辑组态;包括定义线性误差反馈律的带宽ωc与扩张状态观测器的带宽ω0之比为λ和一阶线性自抗扰控制器的带宽为ωA,其中,
Figure FDA0003887826980000011
则ωc=(1+2λ)ωA
Figure FDA0003887826980000012
2)获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T和延迟时间τ,并进一步获取λ的取值、扩张状态观测器的控制量增益b0的取值和一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA的取值;
对于被控对象为一阶惯性无延迟系统,其传递函数为
Figure FDA0003887826980000013
先获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T,该被控对象的延迟时间τ=0;再设置该被控对象对应的λ值,λ的取值范围为λ>0;进而计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA和扩张状态观测器的控制量增益b0;其中,
Figure FDA0003887826980000014
Figure FDA0003887826980000015
对于被控对象为一阶惯性无延迟系统时,所述获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T的具体步骤如下:现场采用飞升曲线法获取多工况下被控对象的稳态增益K的变化范围[Kmin,Kmax]以及惯性时间T的变化范围[Tmin,Tmax];多工况下被控对象的稳态增益K以及惯性时间T按如下方法获取:T在0.5Tmax和Tmin取较大值,
Figure FDA0003887826980000016
对于被控对象为一阶惯性延迟系统,其传递函数为:
Figure FDA0003887826980000017
则现场采用飞升曲线法获取被控对象的稳态增益K、惯性时间T和延迟时间τ;再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure FDA0003887826980000018
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;令b0的初值为
Figure FDA0003887826980000019
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等于5%;b0的取值范围为
Figure FDA0003887826980000021
对于被控对象为无超调的高阶惯性系统,通过现场采用飞升曲线法或通过对传递函数进行化简的方法获取该被控对象的稳态增益K、惯性时间T1和延迟时间τ1;再计算出一阶线性自抗扰控制器的带宽ωA
Figure FDA0003887826980000022
设置λ的初值;λ的初值取值范围为λ>0;令b0的初值为
Figure FDA0003887826980000023
自初值逐渐减小b0,使得闭环控制满足系统超调量小于等于5%;b0的取值范围为
Figure FDA0003887826980000024
3)计算出扩张状态观测器的参数β1,β2和线性误差反馈控制律的参数k1,最后将β1,β2,b0,k1设置到控制逻辑组态中,并投入运行;
其中,k1=ωc=(1+2λ)ωA
Figure FDA0003887826980000025
2.根据权利要求1所述的参数整定方法,其特征在于:对于被控对象为一阶惯性无延迟系统,λ=0.1。
3.根据权利要求1所述的参数整定方法,其特征在于:对于被控对象为一阶惯性延迟系统或无超调的高阶惯性系统,λ的初值为10。
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