[发明专利]实现最优化自抗扰反馈控制的方法和装置

说明书

本发明与适用过渡过程控制的控制器有关，更详细的说，与根据控制对象的输入信号和输出信号能推定其控制对象的状态和未知干扰的控制器有关。

目前，过程控制中用的绝大多数控制器是40年代形成的PID调节器及其变种。60年代以后，以被控对象数学模型为基础的现代控制理论得到了很大发展。但是大量实际对象给不出合适的数学模型，现代控制理论成果很难用于实际控制工程中。于是80年代开始出现了各种“先进控制”方法，但都没有摆脱数学模型的束博，都要采用“建摸”、“系统辨识”、“适应”等复杂手续，使控制算法复杂，其应用受到很大限制。

控制论和模拟技术的萌芽时期产生的PID技术，在大量实际控制工程中出色地完成了各种控制目标，从而PID成为一种几乎完美的控制技术。然而，科学技术的进一步发展，使控制目标多样化，控制精度和速度的要求越来越高，原始的PID不能完全适应这个新变化。人们怀疑PID“不行”，认为PID对对象的数学描述不精确是它的最大缺点，要建立新的对象描述方法来探讨新的控制机理。于是从60年代开始，以对象的精确数学模型(状态空间模型)为基楚的现代控制理论得到了很大发展。然而这个新理论没能给出实用控制器的设计方法，其成果工程实践中难于得到应用。于是80年代末开始，又出现了“重新认识PID”的新思潮。

寻求实用而高效的控制器，需要正确地认识PID和现代控制理论的优缺点。

PID在过程控制中能够得到大量应用的根本原因是，它不是靠对象的数学模型来确定控制策略，而是靠“控制目标与被控对象实际行为之间的误差”来确定消除此误差的控制策略，其控制机理完全独立于对象的数学模型。然而，它生成控制量的方法，由于受当时的认识水平和技术条件的限制，比较简单：“目标和行为之间误差ε”的过去(I)、现在(P)及变化趋势(D)的“加权和”形式，是直接去处理“目标和实际行为之间误差ε”来得到控制量的。PID的局限性就是由这种“目标信号”和“实际行为信号”的“简单处理”所导致的。简单地说：“不靠模型”是优点，“处理简单”是其缺点。现代控制理论虽然对系统分析(即对控制系统基本机制的认识)作出了很大贡献，但是由于大量的工程对象给不出合适的数学模型，它提出的控制方法很难得到实际应用。简单地说：“靠模型”是其优点，也是无法实用的最大“缺点”。

如果现代控制理论对控制系统的认识和现代的信号处理技术相结合，发扬PID“不靠模型”的长处，改进其“简单处理”办法，那么我们能够构造出比PID更好的新型实用控制器。

上述的过去PID技术，有如下四个方面需要改进：

①控制目标可以跳变，但是作为惯性环节的输出，对象的实际行为只能缓变，要求“缓变的行为”跟踪“突变的目标”是不合理的。

②缺乏获取误差微分信号的合适办法。

③误差ε的“过去”(，即I)、“现在”(P)及“变化趋势”(D)的“加权和”不一定是最好的组合形式。

④I的引入，对消除未知常值外扰的影响，有一定的作用，除此之外意义不大。

对此，本申请专利的发明者，发明了能解决PID的这四个弱点的控制技术：

①发明了根据目标值和对象的能力，先安排合适的“过渡过程”和这个过程的微分信号的技术。

②发明了开发出能够合理提取微分信号的非线性动态环节-“非线性跟踪微分器”(Tracking-Differentiator-TD)的技术；此技术的详细说明请参考以下文献A及表1的中国文献[1，2]。

文献A：Han Jing-Qing．Nonliner Design Methods For Control Systems.

IFAC World Congress 1999，Beijing，P.R.China，C-2a-15-4，521-526，(5th-9th July 1999)．

(注：IFAC：The International Federation of AutomaticControl)

③发明了采用安排的过渡过程和系统实际状态之间误差的适当非线性组合策略的技术；此技术的详细说明请参考表1的中国文献[3]。

④发明了由对象的输入输出信号能估计对象状态和不确定扰动的非线性动态环节-“扩张状态观测器”(Extended State Observer-ESO)，用于估计对象状态和未知扰动(参考文献[4])。这个“扩张状态观测器”是独立于对象的具体数学模型的的技术；此技术的详细说明请参考上述文献A，下述文献B及表1的中国文献[4]。