[发明专利]一种预估自抗扰控制系统及其设计方法和参数整定方法

说明书

本发明公开一种预估自抗扰控制系统及其设计方法和参数整定方法，该设计方法通过一阶线性自抗扰控制器的等效二自由控制结构进行设计，实现了由单可调参数ωsubgt;A/subgt;来同时改变状态误差反馈律的ωsubgt;c/subgt;、扩张状态观测器的ωsubgt;o/subgt;的设计，降低了设计出的控制系统的可调参数数量；同时本发明的设计方法中将改进型史密斯预估器与反馈控制器串联构成的控制回路保持为一阶积分的固定式，则改进型史密斯预估器的非时滞部分与反馈控制器的零极点相消，使得改进型史密斯预估器的非时滞部分的调整与反馈控制保持同步，而避免了与被控对象不匹配导致控制效果变差的问题，因此使得设计出的控制系统对于高阶自衡被控对象能够具有良好的控制效果。

技术领域

本发明属于工业过程自动化控制技术领域，具体涉及一种预估自抗扰控制系统及其设计方法和参数整定方法。

背景技术

自抗扰控制器以其优越的抗干扰性能促使该控制算法在工业过程控制领域得以广泛应用，但常用的低阶次自抗扰控制器在处理高阶自衡过程对象时，其控制品质较之传统的PID控制算法未能有较大提升。这是因为高阶自衡过程对象具有大惯性或时滞特性，从频域角度可知该类对象的相位存在较大滞后，从时域角度可知该类对象的输出信号不能快速反映控制量的作用，从而导致控制系统的稳定性会降低，控制品质会下降。

而史密斯预估器技术能有效提升高阶自衡过程对象的设定值跟踪性能，该技术通过引入被控对象的一阶惯性加时滞模型构造预估器，并与被控对象并联得到近似无时滞的预估反馈信号。该技术本质上是通过将时滞环节等效至闭环控制回路之外，使得闭环控制系统特征方程中不含时滞项，从而实现系统的稳定性和动态品质的提高。不过史密斯预估器在实际应用中存在两个方面的问题：一是要求预估器模型准确，也就是其参数要与被控对象的一阶惯性加时滞模型的参数匹配，由于实际系统存在非线性和时变性，从而无法实现模型参数的完全匹配，故无法达到史密斯预估器的理论作用；二是抗内扰和外扰的性能较差。

因此，针对高阶自衡工业过程，将自抗扰控制器与史密斯预估器相结合，构造预估自抗扰控制器，这样既能提升控制回路抗干扰性能，又能提升设定值跟踪性能。但是，以被控对象模型为基准设计史密斯预估器的常规方法仍存在参数不匹配时控制品质下降的问题，而且线性自抗扰控制器的参数带宽化方法虽然大大减少了可调参数，并且也有一些相关的参数整定公式，但是结合史密斯预估器的预估自抗扰控制器依然缺少参数整定方法和理论依据。

发明内容

为解决现有预估自抗扰控制器因史密斯预估器参数与被控对象模型参数不匹配而导致控制品质低下的问题，本发明从工程应用角度出发，结合史密斯预估器的预测和自抗扰控制器的抗扰两方面功能，提出一种预估自抗扰控制系统的设计方法。

本发明的另一目的是提出一种预估自抗扰控制系统，该控制系统具有优良的设定值跟踪性能和抗干扰性能，对高阶自衡的控制对象具有良好控制效果。

本发明的另一目的是提出一种预估自抗扰控制系统的参数整定方法。

本发明的技术方案如下：

一种预估自抗扰控制系统的设计方法，所述预估自抗扰控制系统包括一阶自抗扰控制器、改进型史密斯预估器和高阶自衡的被控对象；该设计方法包括：

1)将一阶线性自抗扰控制器经拉氏变换由时域描述等效成复频域的二自由度控制器结构；该二自由度控制器结构包括前馈控制器和反馈控制器；该前馈控制器的传递函数G_r(s)以及反馈控制器的传递函数G_y(s)分别为：

式中，ω_c为状态误差反馈律的带宽；ω_o为扩张状态观测器的带宽；b₀为控制量增益；