基于Smith预估的自抗扰控制系统

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　　1　引言

　　大纯滞后对象的控制一直是困扰自动控制和计算机应用领域的一大难题[1]。而这类对象又广泛存在于石油、化工、酿造、制药、冶金等工业生产过程中,所以对该问题的研究具有重大的实际意义。对存在着大滞后的工业对象而言,当前施加的控制作用要经过一段时间的延时才能反映到对象输出端;另一方面,当对象受到干扰而引起被调量改变时,控制器产生的控制作用不能立即对干扰产生抑制作用。因此,含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。纯滞后对象的控制一直受到许多学者的关注,成为重要的研究课题之一。

　　传统的PID配合Smith预估补偿器的控制方法,对模型误差反映比较灵敏,当存在建模误差或干扰时,控制效果并不能取得令人满意的效果[15]。近年来随着模糊控制、智能控制、神经网络控制研究的不断深入,有些学者将它们与Smith预估控制、PID控制及预测控制等相结合,提出了针对不确定大滞后系统的新的控制方法[3]-[7]。虽然有些控制方案效果不错,但系统的复杂程度和调试难度也随之增加,设计简单、快速、可靠的控制器,仍是一个重大课题。

　　文献[8]-[11]逐步阐述了自抗扰控制技术的基本思想,并通过仿真研究说明了自抗扰控制器具有更好的适应性和鲁棒性。文献[12]首次采用自抗扰控制器(ADRC)来控制大时滞系统,为该类系统的控制提出了一个新的途径。

　　本文将自抗扰控制器与Smith预估补偿器相结合,以期望获得较好的控制效果。Smith预估补偿器用来抵消了大滞后的影响。自抗扰控制技术的核心是把系统的未建模动态和未知外扰作用都归结为对系统的“总扰动”而进行估计并给予补偿,所以当存在建模误差和干扰时,自抗扰控制器可以较好地给予补偿。二者的结合能够较好地改善了大纯滞后系统的控制效果。

　　2　控制器结构

　　2.1　Smith预估补偿控制原理

　　Sm ith提出了一种纯滞后补偿模型,其原理是与控制器并接一个补偿环节,用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。

　　2.2　自抗扰控制器结构

　　如图1中的(b)图为自抗扰控制器结构框图,自抗扰控制器由于引入了跟踪微分器(TD),不但合理地提取了输入的微分信号,增强了系统的抗扰能力,而且安排了适当的过渡过程,较好地解决了系统“快速性”和“超调”之间的矛盾,也提高了系统的鲁棒性。相对于传统的PID控制器,自抗扰控制器系统中的扩张状态观测器(ESO)能实时估计未知外扰和系统模型的实时作用而给以补偿,因而能有效地消除静差,并且避免了积分反馈的副作用。另外,自抗扰控制器采用采用了非线性误差反馈,在这个非线性误差反馈律中有一个补偿分量,它是自动检测系统模型和外扰实时作用并予以补偿的分量。若把系统的模型作用当作系统的内扰,那么它同系统的外扰一起,均可作为对系统的扰动。这个补偿分量并不区分内扰和外扰,直接检测并补偿它们的总合作用,提高了系统的抗扰动的能力。由于这个补偿作用的存在,考虑在传统的PID配合Sm ith预估补偿器的控制方法中,用自抗扰控制器取代PID控制器。当存在建模误差和扰动时,系统可以取得较好的控制效果。