[发明专利]一种针对线性控制器的无扰切换设计方法

说明书

本发明公开了一种针对线性控制器的无扰切换设计方法，属于自动控制技术领域，为了解决多个线性控制器的切换导致系统响应出现瞬间突变、甚至使控制回路不稳定的问题，本发明提出了一种针对线性控制器的无扰切换设计方法，其中线性控制器包含PID、LQG、LADRC、H∞、MRAC、开环控制等，首先对各个控制器的输出进行微分，然后通过决策选择将某一个控制器接入到闭环控制回路，再通过共同积分器来对该接入到闭环控制回路的控制器的微分项进行积分，保证控制器切换的平滑过渡。本发明提出的设计方法结构简单、通用性好，且无需调参，具备可操作性，可方便地应用至各实际控制系统。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体是涉及一种针对线性控制器的无扰切换设计方法。

背景技术

在实际控制系统中，许多被控对象存在强耦合性、非线性与时变性等特性，导致传统的经典控制理论难以满足控制性能需求，因此学术界与工业界开展关于多个子控制器的切换控制理论的研究，其中每个子控制器是针对系统的不同工况点设计的，以满足相应的性能指标，并由相应的切换信号来选择某个子控制器进入闭环控制系统。基于多个线性控制器的切换控制应用场景非常多，本发明以航空发动机作为典型例子进行阐述，航空发动机切换控制系统的需求具体包括：模态切换、多回路切换、多目标切换、多工作点切换、容错控制切换、饱和处置切换等。但多个子控制器之间的切换容易出现控制量不连续，系统响应容易出现瞬间突变、甚至出现控制不稳定的不良现象。

考虑到现有的工业控制系统大部分采用线性控制器，如PID、LQG、LADRC、H∞、MRAC等控制器，有必要提出一种针对线性控制器的无扰切换设计方法，以保证控制系统不受控制器切换的影响。针对线性控制器的无扰切换方法的设计目标是：(1)当不发生控制器切换时，控制系统性能由已接入闭环回路的控制器决定；(2)当发生控制器切换时，无扰切换设计方法发挥作用，使切换时刻的控制信号平滑变化，不出现瞬间突变或不稳定的现象；(3)设计方法具备通用性，适用于单变量控制器、多变量控制器的无扰切换，适用于开环控制器与闭环控制器之间的无扰切换；(4)设计方法尽可能减少对原控制器的修改，具备可操作性，无需调参或调参方法简单，可方便地应用至各实际控制系统。

现有的无扰切换设计方法是在切换过程采用加权过渡，或是根据平均驻留时间的切换控制理论来设计切换控制器，这些方法在实际工程中对现场工人的知识储备要求较高，且需要反复调参，在许多实际工程中缺乏可操作性，应用效果较差。到目前为止，没有公开专利同时满足上述四个设计目标的设计方法，故本发明旨在提出一种满足上述四个设计目标的无扰切换设计方法，以解决实际工程中由于线性控制器切换导致系统出现瞬间突变的问题。值得注意的是，实际控制系统中经常存在由手动控制切换至机器控制，即等效为从开环控制器切换至闭环控制器，本发明将开环控制器视为线性控制器，即本发明提出的无扰切换设计方法同样适用于开环控制器切换至闭环控制器。

发明内容

本发明为了解决多个线性控制器切换导致的系统响应出现瞬间突变、甚至控制不稳定的问题，本发明提出了一种针对线性控制器的无扰切换设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种针对线性控制器的无扰切换设计方法，包括如下步骤：

步骤一，不考虑控制器切换带来的影响，直接建立控制系统的数值仿真程序。

在步骤一中控制系统的控制框架如图1所示，其中被控对象为通用的非线性模型，表示为：

其中f为系统状态的非线性函数；g为系统输出的非线性函数；y为被控对象的输出量；u为切换控制器输出的控制量。

步骤二，不考虑控制器切换带来的影响，直接设计控制器，使得闭环控制系统的性能达到预期的设计指标。