一种主动抗扰内模控制系统及控制方法

本发明属于工业过程控制，特别涉及一种主动抗扰内模控制系统及控制方法。

背景技术：

1、复杂大时滞对象广泛存在于化工生产工艺过程中，而时滞过程的特性能使系统响应变慢，甚至导致闭环系统的不稳定。传统的控制方式，是经过控制对象输入输出数据进行辨识后得出控制系统的被控对象模型，模型的适配性与辨识的方法关联性较强，当模型适配性较差，甚至会有模型失配的情况出现，出现内部干扰增强。在外部干扰与内部干扰双重作用的条件下，控制系统的动态特性、稳态特性和鲁棒性都会受到负面影响。对于生产实践来说，传统的控制方法设计过程复杂，控制精度不高，生产效益低，不能满足企业的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明设计了一种主动抗扰内模控制系统及控制方法，具有良好的动态特性和抗干扰的能力，即使是在模型失配的情况下，也能很好的控制系统，具有较强的鲁棒性。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种主动抗扰内模控制系统，所述主动抗扰内模控制系统的输出响应公式如下：

4、y(s)＝gp(s)c(s)+gd(s)d(s)

5、

6、

7、式中，y(s)为控制系统的参考输出量，gp(s)为改进的被控对象模型，而gd(s)为干扰抑制器模型；c(s)为控制器的输出量，d(s)为控制系统的等效干扰输入量；

8、s为拉普拉斯算子，g(s)e-θs为实际被控模型，e-θs为时滞环节，e为数学常数，θ为时滞时间，为标称模型，为标称模型的时滞环节，θn为标称模型时滞环节的时滞时间，q(s)为主动抗扰内模控制系统的低通滤波器。

9、进一步的，所述控制系统的等效干扰输入量包括控制系统的内部干扰量和外部干扰量，公式如下：

10、d(s)＝ξ(s)+τdis(s)

11、式中，ξ(s)为外部干扰量，τdis(s)为控制系统的内部干扰量；

12、其中，控制系统的等效干扰输入量d(s)具有稳态增益，即是有界的，满足关系式

13、进一步的，所述控制系统的干扰估计量如下式所示：

14、

15、将输出响应带入后得到：

16、

17、控制系统的控制律为进一步代入得到：

18、

19、将控制律带入到控制系统的输出响应公式后，得到输出响应公式：

20、

21、进一步的，所述主动抗扰内模控制系统的低通滤波器q(s)的表达式如下所示：

22、

23、式中，n是低通滤波器q(s)的阶数；λ2为主动抗干扰内模控制系统干扰端的低通滤波器参数；ak为第k项的系数；m为低通滤波器的相对维度数，且满足

24、本发明还提供一种主动抗扰内模控制方法，包括以下步骤：

25、建立上述主动抗扰内模控制系统的输出响应；

26、对主动抗扰内模控制系统的参数整定，步骤如下：

27、步骤1：确定被控对象模型及其标称模型；

28、步骤2：根据内模控制原理设计主动抗扰内模控制系统的控制器gc(s)：

29、

30、其中，λ1是主动抗干扰内模控制系统的低通滤波器参数，满足β＝αλ1，α为相关系数，k为增益参数，τ1、τ2为被控对象系数；

31、步骤3：确定主动抗扰内模控制系统的输出响应y(s)；

32、步骤4：根据鲁棒控制原理确定控制系统灵敏度函数，然后分析最大灵敏度函数ms和输入端积分评分误差值iaer的平衡关系；

33、步骤5：综合考虑鲁棒性与稳定性对控制系统的影响，平衡整定λ1；

34、步骤6：根据整定后的λ1计算pid控制器参数；

35、步骤7：计算干扰输入端积分评分误差值iae'd与λ2关系：

36、

37、其中，λ2是主动抗干扰内模控制系统干扰端的低通滤波器参数，满足ρ＝κλ2，κ为相关系数；

38、步骤8：分析确定干扰端低通滤波器参数λ2：

39、

40、当且ρ＝0时，控制系统的干扰端与输出端的差值最大，控制系统的抗干扰效果最好；

41、当ρ＝κλ2时，求出iae'd-λ2的关系：

42、其中

43、进一步的，步骤5中，所述主动抗扰内模控制系统的平衡整定方法，包括以下内容：

44、建立主动抗干扰内模控制系统的最大灵敏度函数：

45、

46、

47、其中，s为拉普拉斯算子，θ为时滞时间；μ是λ1的尺度变化量，γ是β的尺度变化量，η是s的尺度变化量；且满足

48、建立控制系统输入端的积分绝对误差表达式：

49、

50、进一步的，步骤6中，所述主动抗扰内模控制系统的平衡整定pid控制器，包括：

51、

52、其中，kc是比例系数，ti是积分系数，td是微分系数。

53、本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

54、本发明将主动抗干扰控制方式引入到传统的内模控制当中，并设计出了干扰抑制器模型的具体结构，用以满足系统的抗干扰性能及鲁棒性的要求，实现对外部干扰的主动抑制功能，增强控制系统处理大时滞对象的能力，提高控制系统的鲁棒性及抗干扰性能。在系统动态性能与鲁棒性之间的平衡关系前提下，实现控制器参数的平衡整定；控制系统在模型匹配和模型失配时控制系统的稳定性，表明本发明在外部干扰与内部干扰双重作用的条件下，仍具有较好的动态特性和良好的鲁棒性。本发明的优点是加强了控制系统的集成度和自动化程度，提高了控制系统的适应能力，增强了控制系统的鲁棒性。

技术特征：

1.一种主动抗扰内模控制系统，其特征在于：所述主动抗扰内模控制系统的输出响应公式如下：

2.根据权利要求1所述的一种主动抗扰内模控制系统，其特征在于：所述控制系统的等效干扰输入量包括控制系统的内部干扰量和外部干扰量，公式如下：

3.根据权利要求2所述的一种主动抗扰内模控制系统，其特征在于：所述控制系统的干扰估计量如下式所示：

4.根据权利要求3所述的一种主动抗扰内模控制系统，其特征在于：所述主动抗扰内模控制系统的低通滤波器q(s)的表达式如下所示：

5.一种主动抗扰内模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种主动抗扰内模控制方法，其特征在于：步骤5中，所述主动抗扰内模控制系统的平衡整定方法包括以下内容：

7.根据权利要求6所述的一种主动抗扰内模控制方法，其特征在于：步骤6中，所述主动抗扰内模控制系统的平衡整定pid控制器，包括：

技术总结本发明公开了一种主动抗扰内模控制系统及控制方法，属于工业过程控制技术领域，将主动抗干扰控制方式引入到传统的内模控制当中，并设计出了干扰抑制器模型的具体结构，用以满足系统的抗干扰性能及鲁棒性的要求，实现对外部干扰的主动抑制功能，增强控制系统处理大时滞对象的能力，提高控制系统的鲁棒性及抗干扰性能。在系统动态性能与鲁棒性之间的平衡关系前提下，实现控制器参数的平衡整定；控制系统在模型匹配和模型失配时控制系统的稳定性，表明本发明在外部干扰与内部干扰双重作用的条件下，仍具有较好的动态特性和良好的鲁棒性。本发明的优点是加强了控制系统的集成度和自动化程度，提高了控制系统的适应能力，增强了控制系统的鲁棒性。技术研发人员：刘立业,曲昀卿,刘璇,王玉芳,王计波受保护的技术使用者：石家庄职业技术学院（石家庄开放大学）技术研发日：技术公布日：2024/7/18