[发明专利]一种基于调度信号的前馈补偿自抗扰控制器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于调度信号的前馈补偿自抗扰控制器及其设计方法，旨在解决大惯性过程在大范围频繁变工况运行时控制品质不佳的问题。自抗扰控制器，包括前馈控制器、反馈控制器、补偿模块和扩张状态观测器。通过引入调度信号，分别对前馈控制器、反馈控制器、补偿模块和扩张状态观测器进行变参数设计和实时调整，并在此过程中利用被控过程在变工况下的动态模型信息，能够提高自抗扰控制器对大惯性和变工况的适应能力。控制系统结构简单，整定方法简明，具有良好的工程应用前景。

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，尤其涉及一种基于调度信号的前馈补偿自抗扰控制器及其设计方法。

背景技术

自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)是将经典PID控制与现代控制理论相结合的一种先进控制方法。最早的ADRC是非线性控制器，由跟踪微分器、非线性组合和扩张状态观测器三部分组成。但是非线性ADRC结构复杂，控制器参数整定困难，因此应用较为普遍的是线性ADRC。线性ADRC的基本结构包括基于误差的线性组合(Error-based Linear Function，ELF)和扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)两部分。相比于其它先进控制算法，线性ADRC不依赖被控对象的精确模型，具有结构简单、整定方便、抗扰性能好和鲁棒性强的优点，近年来在工业过程控制领域得到应用和发展。

然而，当线性ADRC应用于大型热力过程自动控制时，主要面临两方面的问题，一是当被控过程的惯性和滞后较大时，ESO的观测效果变差，导致ADRC的控制效果并不理想；二是在被控过程的工况大范围频繁变化时，按照额定工况设计的ADRC控制性能变差。专利文献CN107703746A提出采用设定值各阶导数的线性组合作为ADRC的前馈控制量，能够提高设定值快速变化时的跟踪能力。王佑等人的《高阶大惯性系统的线性自抗扰控制器设计》(控制与决策，2022年3月)提出利用模型信息进行补偿的ADRC控制结构和参数整定方法，改善了ADRC对大惯性过程的控制效果。但对于解决上述热力过程控制存在的问题，即当被控过程的惯性较大且动态特性随工况有明显变化时，上述方法的控制效果改善有限。

发明内容

本发明提供一种基于调度信号的前馈补偿自抗扰控制器及其设计方法，旨在解决大惯性过程在大范围频繁变工况运行时控制品质不佳的问题，通过引入调度信号，并利用被控过程在变工况下的动态模型信息，分别对前馈控制器、反馈控制器、补偿模块和扩张状态观测器进行变参数设计和实时调整，能够提高自抗扰控制器对大惯性和变工况的适应能力。

本发明通过如下技术方案实现。

本发明的一个方面，提供了一种基于调度信号的前馈补偿自抗扰控制器，包括前馈控制器、反馈控制器、补偿模块和扩张状态观测器。

所述前馈控制器为：u_Q(t)＝F1(Q(t))，其中，u_Q(t)为前馈控制量，Q(t)为调度信号，F1(·)为前馈函数。

所述反馈控制器为：其中，u_C(t)为反馈控制器的输出，r(t)为设定值，z_i(t)(i＝1,2,…,m+1)为所述扩张状态观测器的输出，和b₀(t)为可调参数，且随调度信号Q(t)变化而变化。

所述反馈控制器的输出u_C(t)能够作为所述补偿模块的输入。

所述补偿模块为：u_TF(t)＝F2(u_C(t),T_F2(t),p)，其中，u_TF(t)为补偿模块的输出，F2(·)为补偿函数,T_F2(t)和p为可调参数，T_F2(t)随调度信号Q(t)变化而变化。

所述补偿模块的输出u_TF(t)能够作为所述扩张状态观测器的输入。