[发明专利]简洁鲁棒二自由度比例积分控制方法

说明书

本发明涉及一种简洁鲁棒二自由度比例积分控制方法，首先选定设定值加权系数b和采样时间，在工控系统辨识出对象模型的基础上，根据对象实际工况的变化情况估计建模误差值，由建模误差的大小来确定可调参数λ值，并调用事先编制好的二自由度PI控制程序来计算控制输出信号。与现有技术相比，本发明具有使系统同时获得优越的伺服性能和调节性能等优点。

技术领域

本发明涉及工业过程控制技术领域，尤其涉及一种简洁鲁棒二自由度(2-DoF)比例积分(PI)控制方法，针对工业过程控制对象，采用二自由度比例积分控制结构，以简洁内模PI控制为原理，利用最大灵敏度峰值指标(M_s)整定可调参数。

背景技术

在工业过程控制领域，PID控制已被广大工程技术人员所熟知。目前PID控制的应用仍占据主导地位，原因是它不仅具有结构简单、鲁棒性强和应用方便等优点，而且还可以满足大多数工业控制要求。

PID控制技术成功应用的关键在于控制器参数的整定，常见的整定方法有基于经验的整定方法和基于误差积分性能准则的整定方法等。其中基于经验的整定方法的代表文章是Ziegler和Nichols在Optimum Settings for Automatic Controllers(Trans.ASME，1942，65，pp.433-444)一文中提出的Z-N法，Z-N法的优点是它具有广泛的适用范围，不仅可以控制稳定时滞对象，还可以有效控制积分时滞对象，而且闭环系统具有优越的扰动抑制性能，其缺点是闭环系统的阻尼较差，并且它不能有效控制大时滞对象。基于误差积分准则的整定方法的代表文章是Antonio Visioli在Optimal tuning of PID controllers forintegral and unstable processes(IEEProc.-Control Theory and Appl.，2001，148(2)，pp.180-184)一文中所提的方法，其特点是通过遗传算法来分别最小化设定值通道和扰动通道的误差积分准则，但是该方法并没有考虑闭环系统的鲁棒性，而且无法兼顾系统的伺服性能和调节性能。

上述方法的一个显著缺点是没有考虑闭环系统的鲁棒性，当控制对象建模不够精确或者当实际对象的结构或参数发生摄动时，这些经典方法很难获得满意的控制效果。为了克服上述方法的不足，Sigurd Skogestad在“Simple analytic rules for modelreduction and PID controller tuning”一文中提出了一种简洁内模PI控制方法(SIMC-PI)，该方法对大滞后时滞过程修正了积分系数，并选取固定的可调参数值(λ＝θ)来折中系统的性能和鲁棒性，但是当建模误差较大时，可调参数的取值偏小，无法保证闭环系统的鲁棒性，即SIMC-PI方法主要适用于建模误差较小的时滞过程的控制。发明专利“工业过程单参数比例积分微分控制方法”(申请号02145311.X)提出了一种系统的定量方法，通过可调参数的选择可以方便地折中闭环系统的标称性能和鲁棒性。发明专利“定量整定鲁棒性的智能比例积分微分控制方法”(申请号03115673.8)建立了建模误差与可调参数之间的经验公式，该方法只需要对模型误差做出大致判断，就可以处理建模误差和实际对象结构或参数摄动等不确定性，从而实现了系统性能和鲁棒性之间的最佳折中。

然而，以上方法的一个不足之处是，控制器结构是一自由度的，即闭环系统的设定值响应和扰动响应是耦合的，无法同时获得最优的伺服性能和调节性能。发明专利“二自由度实用型PID控制器”(申请号92109857.X)提出了一种二自由度实用型PID控制方法，可以同时实现最佳的跟踪性能和最佳的抗干扰特性，但是该方法包含多达三个二自由度系数(α、β和γ)，不便于整定调节和工程应用，并且作者没有考虑控制器的离散域编程实现问题，实际上大多数控制对象都是采用计算机控制方式来控制的。

发明内容