專利名稱：一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法，特別涉及一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控 制方法。
背景技術(shù)：
大時(shí)滯過(guò)程的控制問(wèn)題是控制理論和實(shí)踐研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。大時(shí)滯現(xiàn)象的存 在使得系統(tǒng)當(dāng)前施加的控制作用經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)在輸出反映出來(lái)，系統(tǒng)控制部分不能及 時(shí)得到控制作用的反饋信息，等到控制效果能通過(guò)輸出測(cè)量體現(xiàn)時(shí)，此時(shí)控制作用的強(qiáng)度 往往己過(guò)頭。因此，大時(shí)滯的存在使得系統(tǒng)超調(diào)量增大、穩(wěn)定性變差、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，嚴(yán)重影 響了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一般認(rèn)為對(duì)象的純滯后時(shí)間τ與時(shí)間常數(shù)r的比值τ IT > 0.5時(shí)就 屬于大時(shí)滯過(guò)程。實(shí)踐表明，目前廣泛應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)器對(duì)復(fù)雜大時(shí)滯過(guò)程很難達(dá)到良好 的控制性能。對(duì)于γ/Γ > 1的系統(tǒng)，用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制幾乎不可能。大時(shí)滯過(guò)程 是較難控制的過(guò)程，其控制難度隨著τ IT比值的增加而增力Π。由此出現(xiàn)了許多專門控制大 時(shí)滯過(guò)程的各種特殊控制器，但它們均還存在一些問(wèn)題。基于Smith預(yù)估的控制或內(nèi)?？?制需要知道負(fù)荷對(duì)象的精確模型；采樣控制實(shí)際上是一種特殊的PID控制，還存在PID控制 缺點(diǎn)；預(yù)測(cè)控制的方法需要求解復(fù)雜的Diophantine方程，計(jì)算量很大，且僅適用于線性或 特殊的弱非線性對(duì)象；模糊控制和專家控制都過(guò)度依賴于模糊規(guī)則表或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)，存在穩(wěn) 態(tài)誤差、自適應(yīng)能力差，缺乏對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)的控制能力；PID控制與其它控制結(jié)合的集成控 制方法實(shí)質(zhì)上還是特殊的PID控制，僅適合于弱非線性對(duì)象；灰色系統(tǒng)模型具有原理簡(jiǎn)單、 需要樣本少、計(jì)算方便等特點(diǎn)，灰色PID控制是在傳統(tǒng)PID控制中加入灰色模型預(yù)測(cè)的控制 方法，它利用灰色模型的超前預(yù)測(cè)功能對(duì)提前預(yù)測(cè)出系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，并采取PID控制措 施，可在一定范圍內(nèi)克服系統(tǒng)時(shí)滯的影響，但還存在PID控制的缺點(diǎn)；自抗擾控制器(ADRC) 是將現(xiàn)代控制理論對(duì)控制系統(tǒng)的新認(rèn)識(shí)和現(xiàn)代信息處理技術(shù)相結(jié)合，汲取經(jīng)典PID的思想 精華，改進(jìn)其“簡(jiǎn)單處理”的缺陷，構(gòu)造出來(lái)的一種新型實(shí)用的非線性魯棒控制器。自抗擾 控制器對(duì)非線性、大慣性、不確定性、強(qiáng)干擾、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合等復(fù)雜系統(tǒng)都具有較好的控制 品質(zhì)。它具有算法簡(jiǎn)單、超調(diào)小、收斂快、精度高、抗干擾強(qiáng)、適應(yīng)性好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，但 對(duì)于時(shí)滯變化的系統(tǒng)，ADRC方法難以得到很好的應(yīng)用效果。由于這些控制器均存在各自的 缺陷，因此，在實(shí)際中還難以有效地應(yīng)用。另外，工業(yè)過(guò)程不可避免的存在系統(tǒng)時(shí)變的問(wèn)題， 這更加大了大時(shí)滯系統(tǒng)的控制難度。因此，對(duì)具有時(shí)變和大時(shí)滯的特性對(duì)象的控制研究具 有重要的理論意義和實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)的控制難度高的問(wèn)題，提出了一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自 抗擾控制方法，把灰色預(yù)測(cè)模型與自抗擾控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)結(jié) 果證明了這種負(fù)荷控制方法的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)了大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，在大時(shí)滯系統(tǒng)的自抗擾控制的反饋回路中添加一個(gè)灰色預(yù)測(cè)模型GM(1，1)，用灰色超前預(yù)測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)滯， 形成新的控制規(guī)律作用在被控對(duì)象上，方法包括如下具體步驟
A 自抗擾控制器為由非線性跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO和非線性 狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF組成非線性魯棒控制器；建立GM(1，1)預(yù)測(cè)模型為
權(quán)利要求
一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，其特征在于，在大時(shí)滯系統(tǒng)的自抗擾控制的反饋回路中添加一個(gè)灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)，用灰色超前預(yù)測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)滯，形成新的控制規(guī)律作用在被控對(duì)象上，方法包括如下具體步驟Ａ自抗擾控制器為由非線性跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF組成非線性魯棒控制器；建立GM(1,1)預(yù)測(cè)模型為，，式中m為建模維數(shù)；M為預(yù)測(cè)步數(shù)；a、u分別為發(fā)展系數(shù)、灰色作用量，利用GM(1,1)預(yù)測(cè)模型可以預(yù)測(cè)y(k+M)的值，只要改變預(yù)測(cè)步數(shù)M的值，就可實(shí)現(xiàn)M步的提前預(yù)測(cè)；B給定自抗擾控制器ADRC以及灰色預(yù)測(cè)模塊GM(1,1)各參數(shù)的初值，采用GA或PSO智能優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化處理；C對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行采樣獲得系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)建立GM(1,1)預(yù)測(cè)模型；D用灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出作為反饋值反饋到輸入端；E利用輸入值與灰色預(yù)測(cè)反饋值獲得系統(tǒng)偏差輸入到自抗擾控制器ADRC；F跟蹤微分器TD為偏差信號(hào)安排一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，以得到光滑的輸入信號(hào)v1，并提取其微分信號(hào)v2；G擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行估計(jì)，得到對(duì)象的各個(gè)狀態(tài)變量的估計(jì)z1、z2和擾動(dòng)估計(jì)z3；H跟蹤 微分器TD產(chǎn)生的安排過(guò)渡過(guò)程v1及過(guò)渡過(guò)程的微分v2與ESO給出的狀態(tài)估計(jì)z1、z2形成兩個(gè)誤差量eP、eD，然后用這兩個(gè)誤差通過(guò)非線性狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF的適當(dāng)非線性函數(shù)來(lái)產(chǎn)生u0，再根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO給出的干擾估計(jì)z3和被控對(duì)象的已知部分即可形成控制量u，作用于控制對(duì)象。dest_path_image001.jpg,291302dest_path_image002.jpg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，其特征在于，所述非線性 跟蹤微分器TD:對(duì)設(shè)定輸入信號(hào)r(i)，TD給出它的跟蹤信號(hào)及其微分信號(hào)r2(i)，它v1(￡ + h) = vl(t) +h-vM))的動(dòng)態(tài)方程為 ,； ..,、…/A “、，式中h為采樣步長(zhǎng)；rν2( + Λ) = v2 (f) + η ■ Jrf(V1Cr) - v(t),v2 (t), r, f%)\為“速度因子”，決定跟蹤過(guò)渡過(guò)程的速度；&起對(duì)噪聲的濾波作用，稱為濾波因子，可取為力 的適當(dāng)倍數(shù)；為時(shí)間最優(yōu)控制綜合非線性函數(shù)，力e (0. 005, 0. 1)、r e (0. 1，2000)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，其特征在于，所述擴(kuò)張狀 態(tài)觀測(cè)器ESO常用的三階的動(dòng)態(tài)方程為e(l) = Z1(I)^+ h) = ζι(￡) + h[z2 (t) — _)]Z2(I+A) = Z2(I)+ h[z3⑴—β2 JaKsit), ax,S1) + /0(X1 ,z2,i)+hu⑴] Zj (i + k) = z3 (f) — Μβ6/αΙ(β (I), a2, S1)fa!(eU),a,S) = i““ ..|」4)廣辱(_)),1_)1>5式中掘(·)為非線性組合函數(shù);a1、a2、b1、b2、b3、d1、b為參數(shù)，其中a1、a2 ∈ (0，1)、β1 ∈ (0, 150), β2 ∈ (0, 80) ,β 3∈ (0, 20) 、d1=(2 5)h、b ∈ (1/Tn，10/Tn)，其中八分別為系統(tǒng)的時(shí) 間常數(shù)、階數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，其特征在于，所述非線性 狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF表達(dá)式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法，其特征在于，所述GM(1，1) 參數(shù)的初值范圍為建模維數(shù)可取 =4 6、預(yù)測(cè)步數(shù)可取為#=5 30。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大時(shí)滯系統(tǒng)的灰色自抗擾控制方法在自抗擾控制的反饋回路中添加一個(gè)灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)，用灰色超前預(yù)測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)滯并處理參數(shù)時(shí)變等原因造成的系統(tǒng)不確定性，從而形成新的控制律作用在被控對(duì)象上，進(jìn)而改善自抗擾控制的控制效果，達(dá)到有效控制復(fù)雜時(shí)滯對(duì)象的目的。通過(guò)該控制方法的應(yīng)用，可以有效提高控制系統(tǒng)對(duì)大時(shí)滯時(shí)變對(duì)象的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制性能。
文檔編號(hào)G05B13/04GK101995822SQ20101029180
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者汪明媚, 王映斐, 程啟明, 程尹曼 申請(qǐng)人:上海電力學(xué)院