二自由度控制方法研究.pdf

1、隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)過程對自動控制系統(tǒng)的要求越來越高，不僅要求控制有很高的精確性和很好的快速性，而且要求系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)中，一般只有一個控制器，是一自由度控制結(jié)構(gòu)，它不具有使系統(tǒng)同時獲得很好的設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性的能力。如果根據(jù)系統(tǒng)對設(shè)定值跟隨特性的要求來設(shè)計控制器，則干擾抑制特性變差；反過來，如果根據(jù)系統(tǒng)對干擾抑制特性的要求來設(shè)計控制器，則設(shè)定值跟隨特性變差。因此，在設(shè)計控制器時，需

2、要兼顧設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性，在兩種特性之間進(jìn)行折中選擇。這樣做一般可以滿足大多數(shù)常規(guī)控制系統(tǒng)的要求，但對于高性能控制系統(tǒng)則難以實現(xiàn)期望的控制性能。為解決這一問題，許多研究者提出了二自由度控制方法，采用二自由度控制結(jié)構(gòu)，通過控制器的設(shè)計，可以使系統(tǒng)同時獲得很好的設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性。本文在分析和總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)二自由度控制方法研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，針對典型的過程控制對象和運(yùn)動控制對象，將內(nèi)?？刂啤mith預(yù)估控制、滑模變結(jié)構(gòu)控

3、制及智能優(yōu)化算法等與二自由度控制相結(jié)合，從二自由度控制結(jié)構(gòu)、控制器設(shè)計和參數(shù)整定方法等方面進(jìn)行深入研究，著力解決已有二自由度控制方法存在的缺點(diǎn)和不足，提出了幾種新的二自由度控制方法。主要工作包括以下幾個方面：
　　根據(jù)內(nèi)?？刂圃?，針對典型的過程控制對象和運(yùn)動控制對象，提出了一種二自由度PID控制器解析設(shè)計方法，克服了常規(guī)二自由度PID控制器參數(shù)多、整定難度大的缺點(diǎn)。所設(shè)計的控制器只有兩個可調(diào)參數(shù)，而且被調(diào)參數(shù)與系統(tǒng)的性能直接相關(guān)

4、，通過這兩個參數(shù)的調(diào)整可以使系統(tǒng)獲得良好的控制性能。
　　針對常規(guī)Smith預(yù)估控制魯棒性和干擾抑制特性差的缺點(diǎn)，將內(nèi)?？刂坪蚐mith預(yù)估控制有機(jī)結(jié)合，以大時滯開環(huán)穩(wěn)定過程為對象，提出了一種二自由度Smith預(yù)估控制結(jié)構(gòu)。它可以使系統(tǒng)的設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性解耦，并分別通過一個可調(diào)參數(shù)來調(diào)整，保證系統(tǒng)同時具有良好的設(shè)定值跟隨特性、干擾抑制特性和魯棒性。
　　針對具有時滯的開環(huán)不穩(wěn)定和反向響應(yīng)兩類復(fù)雜動態(tài)過程對象的特點(diǎn)

5、，提出了一種統(tǒng)一的二自由度控制結(jié)構(gòu)。它由參考模型，前饋控制器和反饋控制器三部分組成?；诒豢貙ο竽婺Ｐ驮O(shè)計的前饋控制器可以使系統(tǒng)的設(shè)定值跟隨特性具有參考模型所定義的響應(yīng)特性。反饋控制器采用基于期望干擾抑制特性的直接綜合法來設(shè)計，它可以在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，使系統(tǒng)獲得良好的干擾抑制特性。與已有的二自由度控制方法相比，這種方法的特點(diǎn)是二自由度控制結(jié)構(gòu)簡單，控制器參數(shù)調(diào)整方便。
　　針對串級控制系統(tǒng)提出了一種二自由度控制方法。它的

6、突出優(yōu)點(diǎn)是克服了常規(guī)串級控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和整定比較麻煩的主要缺點(diǎn)，可以使主、副兩個回路的設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性實現(xiàn)解耦。同時，在設(shè)計主回路控制器時，不需要對副回路閉環(huán)特性做近似處理，因而可以提高系統(tǒng)的控制性能。
　　采用微粒群優(yōu)化算法（PSO）對二自由度PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過將控制器的參數(shù)設(shè)置為群體微粒在參數(shù)空間的位置，模擬群體智能和動物覓食的動態(tài)行為對參數(shù)尋優(yōu)，使代表控制器參數(shù)的微粒向最優(yōu)區(qū)域移動，最終獲得最優(yōu)的二自

7、由度PID控制器參數(shù)。在優(yōu)化算法中，以最大靈敏度和時域性能分別為約束條件和優(yōu)化指標(biāo)，使系統(tǒng)在具有較強(qiáng)魯棒性的前提下，獲得最優(yōu)的設(shè)定值跟隨特性和干擾抑制特性。
　　針對交流伺服系統(tǒng)，提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的魯棒二自由度控制方法。其中二自由度控制器由參考模型，前饋控制器和滑模變結(jié)構(gòu)控制器三部分構(gòu)成。一方面利用參考模型和前饋控制器實現(xiàn)系統(tǒng)期望的設(shè)定值跟隨特性，另一方面利用滑模變結(jié)構(gòu)控制魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)來抑制參數(shù)變化和干擾對系統(tǒng)的影響