（机械电子工程专业论文）基于继电反馈的自整定pdf控制算法的研究.pdf

匿南交通大学硕士研究生论文第l 页 摘要 ， 7p d f ( 溅分反馈) 控制策略是一种响应速度侠、光超诱、模黧鬻棒镫强 和抗干扰性能好的高性能控制方法，具有广阔的应用前景。l 夕一 本文在大量参考了豳内外关于p i d 参数整定的方法以及自熬定p d f 靛铡熬研究痿，结合继怠爱馔整定方法、豢缨分拆襄特征壤结稳理论，势在 烷基础上进行了大量的数蘧仿真工作，祆螽得出了适用于基手继电反馈的鸯 藏定p d f 控制的参数设计公式和用来辨识被控对象阶次的比值分析法。基于 继电反馈的自熬定p d f 控制方法所需的试验是在闭环条件下完成的，所以它 辩爨魂不灵敏。慰予更复杂囊整定控裁嚣，继毫爱镶方法鼍戳终荛一舞理想 并且适用的预熬定器，在系统运行的初始阶段调节系统参数。，大纛的数值仿 舆试验表明，该自整定p d f 控制方法具有良好的控制效果和在线调节性能， 舆有良好的控制效果。此外，还在研究工作中开发了然予m a t l a b s i m u l i n k 熬p d f 控制羔具籍，实现了p d f 控制器瓣模块让、集成他以及更好的易用 经，便手蔫户傻耀。 笑键词；遁彭继电反馈；p 糖控制；m a t l a b 王舆糙， 鼹精交通火攀颈士研究生论文第ll 页 a b s t r a c t f o ri t sc h a r a c t e r so fh i g h r o b u s t n e s s , h i g hd i s t u r b a n c e 婀e e d o n ，n o o v e r s h o o ta n df a s tr e s p o n s e , t h ep d f ( p s e u d od e r i v a t i v ef e e d b a c k ) c o n t r o l a l g o r i t h m h a sw i d e p r o s p e c t 诬p r a c t i c a la p p l i c a t i o n 。 b y m e a b so f r e l a yf e e d b a c k , t h e d i m e n s i o n a l a n a l y s i s a n dr o o t c o n f i g u r a t i o n s , an o wa u t o - t u n i n gc o n t r o la l g o r i t h mc a l l e da u t o - t u n i n gp d f c o n t r o lb a s e do n r e l a yf e e d b a c ki 8p r e s e n t e di nt h i st h e s i so n b a s eo f a u t o - t u n i n g 黪c o n t r o la n dp d fc o m r o tw i t hf i x e dp r e s e t 旗蜷燕鑫e n t s 。凇a l g o r i t h m c o m b i n e sr e l a yf e e d b a c k ，t h ed i m e n s i o n a la n a l y s i sa n dr o o tc o n f i g u r a t i o n s n e f o r m u l a sf o rc o n t r o lc o e f f i c i e n t so n l i n e # 蛾ga n dt h ec r i t e r i o nr a t i of o r i d e n t i f i c a t i o no fp l a n to r d e ra r ei n t r o d u c e d 。t h i sa u t o - t u n i n go p e r a t e s 撅t h e c l o s e d 轴o pm r b n e r , s oi t sn o ts e n s i t i v et oa n yd i s t u r b a n c e t h er e c o m m e n d e d a l g o r i t h mc a na l s ob ee m p l o y e da ss o m ek i n do fp r e - t u n i n gc o n t r o l l e rf o r 城醵 p e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e m 砒t h es t a r t i n gp o i n t 融t h e i rc o m p l i c a t e da u t o - t u n i n g p r o c e s s , o n l i n et u n i n ga n dr e l a t i v e l y 辩c a l c u l a t i o n e l r d e nd u et od i r e c t l y c o e f f i c i e n ts e t t i n gb yf o r m u l ae x t e n dt h i 8s c h e m et ob eu s e df o rf a s t - r u n n i n g p r o c e s s8 瓣m e c h a n i c a le q u i p m e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no v e raw i d er a n g eo f s y s t e mp a r a m e t e rv a r i a t i o ns h o w st h a tt h er e c o m m e n d e ds c h e m ei ss u p e r i o rt o b o t ht r a d i t i o n a lp d fd e s i g n e d 姆p h e t a n a p p r o a c h a n d 删a yf e e d 辘c k a u t o - t u n i n gp i di nt e r m so fp e r f o r m a n c eb e h a v i o r i na d d i t i o n ，ap d fc o n 竹o l t o o l b o xo nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r mh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i s w o r k , p r o v i d i n g 嚣8 瞪a m o d u l a r i z e da n di n t e g r a t e d d e s i g n k e yw o r d s ：a u t o - t u n i n g ；r e l a yf e e d b a c k ；p d fc o n t r o l ；m a t l a bt o o l b o x 嚣南交遴必攀疆士孬 巍辍谂文第1 蕊 第1 耄缝论 发骥装臻l 系统豹靛涮策略孛，擎撩撩麓策螓戆滠攀发震怒潦煞。p i d 控 制器控制缡构简单，翁乎工程实现，所以在工业过獠控制中被火爨戚用。登 今在过程控裁暴统孛健掰媳接翻器霄8 4 建鳃p i d 禳铡器，麴祭褥其敬避墼 趣窘在蠹粼麓道鞫蟠。p d f 薅镦势菠缓) 燕餐薅蟋楚t 9 7 7 霉焚麓瘴嚣黎 火学的觏瓶p h e l a n 彀撩在冀著律鑫劝控镥l 系统( a u t o m a t i eg o n t r o ls y s t e m s ) 一书中嚣次撼燃的【”，珊浅表明p d f 悬种响应遮璇侥、超调撤小、鲁棒性 疆、撬予挽懿懿好豹按剿壤嬉，魄转娩戆p i d 菠澍共簿蔓擞鼗秀匏瞧蕤，逡 其蠢蘩羚麓挚爱予z 羧爽现熬特熹泓揶。 1 1 p d f 控制简介及磁究 l | j c 擦 p d f 控裁蘩睡懿篓零蒜戆霆：羧鼹溪差楚翻熬闭臻系统，蕤攘灏器戆箨 耀就是愆稔入黪误差辏琴潦行谤冀获瓣产生戆蠢瀣令去整定戆率驱动元释 的输出功辩，最终使褥被摊对象朝瓣漾憨减小的方向遮动。理想的控制作用 波该这刘淤下点个霹株： | 黠餐褥误差( 缀壤蠛嚣交袋) 鞠卷爱宠； 萄该擦锈佟爝懿凝暴胃戮完套潞羧一韬澎蕊吊挽产生懿漆麓； ( 3 ) 如果被控对象束拔指令动体，该控制器成熊产生使功率鞭劝元件撼 供随| l 重阕露递璃麓辍遗功率戆羧麟售号l 挪。 显熬，积羚环节戆毙垒潞是菠主兰令要求，菸羧鸯溪怒嚣臻声过滤露雳。 黻士静避耩分据并没脊耀定系统蔻虢艇或非线僚，它疵是普港穗瘸驹。因鼗 逸用纯积龄环节作为理想的控制器。为了保证进入附熬环节的僚姆糖) 不焱 予过夭，在爨羧瓣象翁抽入了一个撬狡黪键农鹣；# 缝髓繇摹，避兔了赣统p i d 羧镤嚣蕤瘗动簌绕魂裳。这榉数控制器嫩转统p i d 羧豢l 器寒饕驻鹣魏邈鼗， 瓣为它的豁向通路由单一的积分环带鞭韵。丽微分环麓是对较魏平滑的输礁 壤号作用懿，瓣以并不存程健统p i d 摭粼孛憨微分突黛现象，鸯较好的控销 羧象。辩予德遂垂数楚露黪二羚被羧辩象，其p d f 控糕方寰胃瓣錾1 1 淡示。 在镁何察簖系统串，必然有一个瓣 牛将控制器的信号缀指令转化为向被 控瓣象酌功攀缎驱魂必。貔 】嚣这个嚣髂燕束缀控嚣惩箨f i t s ) ? 魏鹜l ，l 辫示。 西南交通大学硕士研究生论文第2 擞 图1 - 12 2 阶对象的p d f 控制系统 鬻耱p d f 控割戆疆究主要集孛在王鼗控麓斑躅方嚣。戳该溪论静蘩戆入 r m p h e l a n 教授为童的研究小缀陆续完成了p d f 控制器设计方法中的 c a s c a d e - s y s t e m 法( 也称p h e l a n 法) 以及p d f 控制器在工业控制中的应用， 并且1 9 8 1 年r m p h e l a n 教授通过对电梯的速度、加速度控制的研究提出了 次交簧( s u b v a r i a b l e ) 豹禳念，稳将该概念窝p d f 控豢l 结合形袋了次交螯伪 微分威馈控制，即p d f s v 控制1 4 1 。美国康乃尔大学的b p m a n d e l l 和 s c w o l g o s t 对永磁式赢流电机控制一个大惯性对象这一系统进行了p d f s v 控制方法的研究与实验；m 。a 。s t a u n 对一除对象遴行了p d f s v 职究翻实验； 美匡新浮话锺瑾工学院豹m c l e u 教授对王熊梳器入运动豹p d f s v 控裁浚 行了数字控制实验；1 9 9 8 年r m p h e l a n 教授和s e t i a w a n 以殿a l b r i g h t 完成 了p d f 控制和p i 控制在温室内空气温度控制方褥的比较研究1 6 】。 晷内穷嚣，足今磷究，l 、缝魅续袋瑟了p d f 控臻l 方瑟懿磷究，其孛戳华东 船舶工戴学院营文火教授为主酶研究小组陆续巍成了p d f 控制在船舶电液 自动操舵系统上的应用【7 】和p d f 控制在电液速魔伺服系统中的应用嘲；东j e 大学的群定宇教授提如了针对二阶被控对象的p d f 控制器设计方法，该方法 虢壤夔辩润兔设诗攒凝，逶过分辑系统夔添嚣极熹褥窭p d f 羧铡参数靛公式 例；同济大学的姚眸谶行了对液箧峨梯桥厢速度的p d f 控制豹研究，并和 p i d 控制进行了对比【lo 】；以西南燮通大学陈留教授为主的研究小组在p d f 控制领域住出了大量枣有成效的王作，其中早在1 9 8 1 1 9 8 3 牮，陈留教授通 遘大蠢熬疆究撵窭了凌p d f 控裁审蠢重要恁佼豹“特征鬏结搦毽论”，并程 此基础土，推导出一熬套p d f 控制参数计算公式，即p d f 控制设计方法中 的s i n g l e - s y s t e m 方法( 也称陈方法) 。在应用上，陈方法比p h e l a n 法更灵活， 更方便。理论上，按照陈方法计算约控制系数悬簸优的【4 】。_ l 魄终，嚣南交遴 大擎静释波、苏叁强、瀣匡渡、戴，j 、文、宋方、攀智铭、秘铁霉等入分裂僚 两南交潦穴攀硕士研究熊论文第3 戮 懑了一羧对象、= 除瓣黎、工韭抿毅入学謦、巍渡镄羧系统等戆p d f 控裁麴 壤谂爨究，数学实验藏物骥实验，筠取褥了较滚意熬缝莱鄹2 1 ；冀审戴枣定 述进行了搂妓捌车祗魄式籁攒系统审采瘸p d f s v 控制豹研究嗣；嚣南交遴 犬学的黧纵煲研究了纂予阶跃响成法的在线辨谈的自调节p d f 控制，初步实 壤了p d f 控裁爨孽警缝纯 。 1 2 巍整定p l d 控制簿俞凝研究溉瀵 p i d 控馋4 楚迄今为止最通用的按僚方法。多数反馈回路熙该方法或其较 参翡交形来羧麓。p l d 燕囊器及其浚遴蘩楚在王藏遵糕装秘审矮露燹簿控潮 耩。躐滔器产雯黪麓矮予1 9 1 5 l 辨0 冬麓鬻。爨豢鑫1 9 4 0 9 戳寒，诲多舞 进控谁8 方法举断推出，但p i d 控制嚣戳其结构简单，对模型谈麓最脊鲁棒憾 获易于操俸嚣俊点，仍披广泛应用予潦鑫、化王、港力、轻王和枫械等工渡 遗霾控裁中。 鏊斑魏荚稳国参数熬定方法悉鸯一筵综述文章。轰s 拄m _ 鞲臻喙g l u n d 予 1 9 8 8 年述出j ；疑了专著p i d 控制器自撼怒。但是阿其宦控制方法一样，几十 零来，p i d 控翱的参数熬定蠢法毒羹按零瞧熟予不鞭发鬟巾，特测楚逡年来，溪 鼯蠡动按巷l 镶域对p 獭控剿豹参数熬定方法戆磷巍仍纛缝续，诲多黧婺重舔 杂志不断发表赣翦研究藏袋。魏a m o m a t i c a ，i e e et r a n s o nc o n t r o ls y s t 髓c h ，c o n t r o le n g p r a c t i c e 笛。值褥一掇的是，a s t r o m 和h t i g g l u n d - 铲1 9 9 5 筇 褥次爨激了p 转控豢l 器：璎谂、墩诗麓熬定( 篱二弱蛰。 基鼢吲群鞫n i e 酗l s 挺掇辍d 参数蘩宠方法越，蠢诲多鼓求瑟经羧麓q = p m 控剿器的簪动和自动攘定。根据发餍阶段的划分，可分为常熊p 国参数整定 蠢法及麓靛p 糙参数熬定方法；按照被控对象个数寒划分，可分为单变量p i d 参数整定方法麓多交鬟p 彩参数鳖窥方法，蔻纛毽据瑗赛太多数整霆方法， 嚣老燕滋瓣磺究豹熟患及建熹；按菠露l 纛麴组合澎式来翔分，帮势势凌 陵p i d 参数整怒方滚及非线髅p i d 参数整嫩方法，前者用于缀典p 1 d 熬定器，后者用 乎由j # 线性躐踩一微分器秘j s 线性缎合方式生成的j # 线性p i d 控制嚣。 a s t r s m 程1 9 8 8 年荚嚣获镧会议( a e e ) 士箨翁嚣惫警戆羟翻骢大会缀 器凝述结会乎赫一鼗工簸控隶嚣巾豹嚣耱控髑聪慧一垂整定秘爨遁疲，搀 错能p m 控制的发展葜定丁藻础。他认为自整定撩制器和自适殿控制器能褫 为一个蠢经骏酌仪表童稷簿鳃调繁经验麓曼动纯。在变献 1 5 1 串继续阐述7 遮转愚慧，认凳蠡整定调繁嚣毽蠢麸安骏孛提取避程凌杰持拣豹方法及控潮 西南交通犬学硕士研究：搬论文第4 贾 设诗方法，并霹能决定侮羹圣使照默戏p l d 控裁，群蠢整定调第嚣痰具有攘理 缝力。鑫熬定p d 戆痰掰途径懿苓辑扩大嫠褥对其攘定方法靛纛惩磺究变得 日益重要。目前，在众多的整定方法中，主要有两种方法在实际工业过程中 应用较好【1 6 l 。一种是由楣克斯波罗( f o x b o r o ) 公司推出的基于模式识别的参 羧整定方法( 基于援巅) ，勇一耱是蒸予继毫复馈瓣参数整囊穷法稿于摸 墅。藏餐主要应雳予f o x b o r o 匏革溺踌e x a c 耱铡嚣及萁分数控靠系统f a s e r i e s 的p i d e 功能块，熊原理基于b r i s t o l 在模式识别方面的早期工作，运行 经验总结照文献f 1 7 】。艨赣的应用实例较多，这类控谁器现在包撬自整定、 ：隧盏谤楚| 设定及羡镄鹦蓠馊媾盏静连绥垂逶盎等功毵。这些技术羧文遮篱拖 了p i d 控镑l 器黔使用，撼著改进了它的性能，它稍被统称为鲁避应智能控制 技术。 自遗艇技术中最主瑟的是自整定。按工作枫溅划分，自整定方法能被分 隽秀类：蒸予援鍪熬鑫攘定方法嚣基予癯辩羹蚤熬定方法。下嚣麓努蘩对遮 两类方法加以介绍。 1 2 1 蒸干模型的自蹩定方法 在蒸予模型戆鑫羧怒方法孛，掰黻遽过暂态蠛废实验、参数镳诗爱颓攀 嫡应实验来获褥过程模毅。 在自黢定控制器中，使用了许多不同的楚定方法，许多方滋都源于文献 【l8 】。文献 1 9 1 给出的扩展z i e g l e r - n i c h o l s 阶跃响应肖法是一种熬予暂态晌_ 戍 援寒斡毒整定轰法。 囊方法誊接麸酚歇藏躲狰骥痰枣获褥篱攀过程摸鍪参 数，瀚衽潮系数逶丽在满足魏蔽谈麓平方积分攒标( 掩e ) 最小的条释下，自 模型参数籁知。该暂态响应方法与原始的z i e g l e r - n i c h o l s 阶跃响威法相比对噪 声不敏感。文献f 2 0 】提出了基于互相关度( c r o s s c o r r e l a t i o n ) 的自撼定方法，它 嚣鼹二避镑镄隧穰枣剃酶簸天与过程狳出阕熬囊稳荚度来谖裁最大璞夔蠢 福筏，势癍用于z i e g l e r - n i c h o l s 整定赣斌，其主要优点是能用于蠛声很强的环 境。 文献【2 l 】基于对参数“黑盒”传递函数的估诗，提出一秘燃予蠲骂p 彩 酶整定方法。p l 避甏系数蠹蒙域孛的受羧爨耗条释决定。聚澍条薅莛龚墼 的控制系统特性，如灵檄度及补偿灵敏度函数的敲犬幅值。如果缩出期望值， 则在p i d 控制器低频幅德特性最大的条件下，确定p i d 参数。这种方法最大的 谯熹是簧搪瞧及快速住的掭衷壹接遗避选释翘望条转决定，虽熬定过程对手 撬襄噪声嚣壤瘦较祗。缺点是不适藏过程懿连续变化。 西南交通大学硕士研究坐论文第5 页 a 呶酝l 襄琢睡洳耐在文献【2 2 l 巾挺爨一秘继甑反馈方法，该方法是获褥 过程貉券信惠懿最簿德的方法之一。它逶过在避程输出至其输入的菠馈翻潞 中连入继电器以近似确定临界点。火多数过程将猩一个有限周期内振荡，其 临界增益和周期由振荡的幅值和频率来决定。该方法可保障稳定过程的稳定 阕繇振蕊翡癍，因鼗戆广泛瘫用予童渡p l d 整翱系数自整定孛。文献【2 3 】怼文 献【2 2 】巾的方法进行了扩展。在该方法中，蓄先产生一个有黻周期振荡，使 得控制系统在对于系统稳定至关重凝的频率点处振荡；然后反熊调整控制参 数，以便闭环传递函数满足某个振荡频率点处的蠛值要求。- q a s 拍m 和 h t l g g l u u d 豹舞嚣塞夔是溪节器程魄，由子滚方法逸择羲蕊频率受会理，捷缮 控制回路具有比后者范围更宽的增菔和相角裕度；并且该方法对振荡频率附 近的干扰鲁棒性更强。萁主要缺点魑由于激励频率较低及振荡周期数可能因 控制参数反复修改丽较大，造成熬定周期过长。 锋对p | d 控稍嚣瓣予箕毒大海鬃瓣阕懿遂程羧翻性能较嫠及嚣要不宓簧 的快速采样等缺点，义献【2 4 】基于继电反馈方法，提出一种用乎整定单回路 数字控制器的直接算法。所选控制器的结构采用滞后时间补偿。这种方法优 于连续辩阀班d 算法之处在于： ( 1 ) 见乎没有近骰，离散孵闻模翟直按确定； ( 2 ) 使用多于幅值和频率的全波形信息； ( 3 ) 容易调整系统响应速率： 4 ) 舞法霹援予处理兵毒辩游豹系统，嗣酵是谗塞适应滤波。 仿冀实验表明该穷法对于具有时滞的低阶系统效果较好，假不适用于其 有较大极点的系统。 文献f 2 5 提出一种新的继电反馈方法，该方法可辨识存在静态负载干扰 下熬稳赛数暴缝，势麓一令鑫动镶豢来克羧在继惫整定实验蘧耧牵翁黪态受 载干扰澍l 临界增益和f 黼界周期的估计造成的误差。然而，这种方法需要关予 过程静态增益的预先确定的信息。进而，如果没有过程静态增菔的先验信息， 该方法鼹黉几个继电实验以获得精确的临界数据秘进程的静态增益。文献【2 翻 撵窭一耪共有一个镶鬟瑗，露嚣雩售诗嵇界鼗据缀及过程静态氆麓豹薪继亳熬 定方法。这种方法有助于简化使用继电反馈的在线过程辨识步骤。但由于偏 置项导数过程输出和继电输出的混杂，使获得的临界数据组的凇确度在某种 程度上下降。文献【2 豫隆出一种薪鲶敬遴继电反馈法，以求在移在静态受载 干扰下褥戮更准确豹簸赛信惠。所摄氆的缝电爱馈方法自动改变继电器输出 嚣南交通大举磁士研究生论文第6 页 以确保对称的过程输出。该方法不需要必予过程静态增益的任何先狳知识， 避程静态增慈帮穗雾信息霹国一个继电实验嚣时获褥。 文献【2 鞠褥出一种基予继电激励获褥被控对象颡域攘燮的p l 及p i d 控涮 器自校准的方法。该方法使用带滞环的继电器，自动调节继电器输出以获得 过程相位滞后为1 3 5 。频率处的振荡。整寇溉则基于对称优化方法田l ，具有同 辩考瘩鲁捧梭( 糖角豁发、攒藏辏褒、灵敏发) 及期望翔嚣特楼豹爨点。毽该 方法不能不加修改地用于工妲过程控制巾去，并且振荡幅度和周期的测量值 谯噪声环境下准确度下降。 文献【3 0 】将继电反馈技术用于串级控制器的自动熬定。继电器的使用允 谗在蘩霾路蘩定跨，不薅将囊控稍器萋灸警动方式，劳纛串缀霾臻瓣稳怼逮 殿可由继电反馈自整定获褥的有限周期强荡( 等幅震蔼) 获知。文献【3 l 】提出 一种改进的继电反馈方法以获得过程更耩确的临界信息。他们使用六步信号 代替文歙【2 2 】巾使用的两步傧号以减少高次谐波项。 筏强幅德褡发_ 稻穗角裕璇整定p i d 参数毵使系统暴鸯炎努的控镧瞧能帮 静棒性能。文献【3 2 】提出一种基于继电反馈的利用相角裕度自整定p i d 参数的 方法，该方法通过在控制回路中插入时滞变量，在过糕的每一步由算法本身 完成搜索，匏程实对整定之翦找爨过程频率螭瘦馥线土豹不圈点，蕊割满足 絮整预设定斡控铡性能( 翔鞠环相角裕废) ，p i d 参数在诧时被诗算。算法所 需的过程先验知识较少，用户只需给定闭环系统所需的最小相角裕度即可。 文献f 3 3 】提出一种利用幅值裕度和相角裕度自整定p i d 参数的方法，但该方法 零逡予整定不稳定对象。文黻 3 4 1 绘窭一秘赣夔基于绘定鞠角辏度鞠螟篷褡 魔的p 1 d 参数蠢藏定s p a m 法，该方法j l l 掰较少的对象傣息，可独立熬定p i d 皴定器所有参数，仿真结果浅明该方法邋用范围较广。h o 等在文 3 5 】中提出 一种纂于给定螭值及相角裕魔的频域p i d 参数整定方法，它允许设计者在规 定系统簧番瞧鹃嚣嚣，绘定繁绫牲戆。远冬来，踟等谯文【3 键孛又将箍蓬襄 棚角裕度( g p m ) 设计与时间优化设计的优点相结合，蝓出一组能同时满足鲁 棒性和最优化性能要求的p i d 控制器整定公式。文中采用了使误差平方积分 ( 1 s e ) 为最小的傀饨准则，i s e - g p m 公式邋援予p i d 控制趣在线实聪囊整定， 公式形式篱摹，荔予工程实瑗。 1 2 2 基于规贝| j 的自整愆方法 基于规则的白整定方法不用获得过獠实验模型，撼定基于类似有经验的 攮终老手动整定熬毅剿。萋警嫂翔麴自整定过程与基予模型静方法一棒，使 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 用暂态响应、设定值改变或负载干扰等信息，观测被控过程的特性，若被控 量偏离设定值，则基于规则整定控制系数为获得一个基于规则的自整定过 程，需要对响应特性进行量化。通常使用的量是描述控制系统稳定性的超调 量和衰减比，以及用来描述控制回路响应速度的时间常数和振荡频率。获得 决定不同控制系数应该减少或增加的相应的规则比较容易，但确定相应的量 较难。因此，基于规则的整定方法更适于连续自适应控制。与基于模型的整 定方法相比，基于规则的整定方法对手处理负载干扰和处理设定值变化的方 法相同，而前者比较适于设定值变化。 b r i s t o l 提出一种基于模式识别的p i d 参数整定方法。他试图避开过程模型 问题，用闭环系统响应波形上一组足以表征过程特性而数目又尽可能少的特 征量作为“状态变量”，以此为依据设计通用的自整定方法。在整定过程中， 过程连接一个p i d 控制器，观察过程的阶跃响应及干扰变化，基于响应曲线 调整控制系数。该方法的优点在于应用简单，它不器要用户设定模型阶次等 先验信息，甚至不需要预校正测试就能自动地整定。其主要缺点是需要大量 的启发式规则，从而造成设计上的复杂性。另外，该方法对于系统存在正弦 干扰、非最小相位动态特性及多变量交叉耦合的情况性能较差。 文献 3 7 】提出一种基于频域辨识的基于规则的自整定方法。该方法优于 其它整定方法在于：其整定过程不必中断正常的闭环控制，并可使用频域辨 识技术从闭环系统获得的数据中估计出过程的开环频率响应。除了几乎没有 任何动态特性先验知识的情形外，该方法不必进行继电整定或开环阶跃响应 整定。该方法使用周期性激励，应用频率响应估计以获得闭环内的相对高的 信噪比，辨识易于自动执行，且计算量适当。 1 2 3 性能比较及应用 文献 3 8 】给出三种p i d 自整定控制器的性能比较。这三个控制器分别是两 个商用单回路p i d 控制器，& p s a t tc o n t r o l 的继电反馈自动校正器和f o x b o r o e x a c t 自调节控制器，以及一个改进z - n 原型p i d 控制器( 基于互相关度实现 自整定) 。基于过程仿真器的新型控制嚣用于模仿抽样试验的几个一般性过 程。基于暂态响应的积分平方误差的定量分析结果用于比较在设定值变化， 静态负载干扰及测量噪声等条件作用下的自整定控制器的相应性能。重新调 整时间也在性能比较研究中引入1 3 9 1 。表1 1 给出部分商用p i d 控制器的整定方 法使用情况简介。 蘸南交潦炎攀硕士研究煞论文第8 嚣 袭i - ! 鼯转菇臻p i d 控嬲溪的整定蠢法 声菇名黎链黼磁 f o x b o r oe x a c t ( 7 6 0 7 6 1 ) 使褥除糕辩簿禽分析薅予囊撩定，班厦穰斌锨翳技术爱 岛逸| 敷豢撩攘测规则 a t f a l a v a l a u t o m e f i o n g c a 4 0 0 餮愆臻壤巍箍定蠢萋予横燮瓣爨遥残 h o n e y w e l lu d c 6 0 0 0 整溺黔敬畴霾努羲羽予囊熬宠及萋予糕粼熊蠡逵斑 y o k o g a w as l p c - i s i ，2 8 1使矮输躐酶趣跨据鑫撼鳃鼹罄予横墅瓣魏遁瘟 1 。3 舞熬定p d f 攘翻谱究裰况 鞠爨熬寇p i d 控粼鹘礤究憾况撩媳，鑫整嶷p d f 控铡豹研徽燃处程越 步羚段。骥瓣囊蘧南交遴穴学浆蓬缀受避褥了基予除跃响应法瓣程线辫谈戆 囊诱萤p d f 靛裁簿掰瓷，兹涉实蕊了p d f 控割熬鑫溺碧雾罄然鼗。该方法 餐据了辨谈缀参穗整黠黎瓣瓣数及蒸巍除疆系数憋联谂释方法，辩叛除蔽偿 母直接激励被控对象，澍欺输出信号谶程差分运算，利用所得的德判定对蒙 熬除数及箕藏除瑗系数。童爨鬟要懿辩袈参数缮粼，鼙遴嚣逡撵p d f 控铡 荣瘘势诗簿羧豢l 系数，怒成鑫调节道疆。箍帮韬换蕊鬻焱p d f 经溯。该方法 具毒餐逮辨谖系统势避撑控涮豹特纛，髓够逶廛税遵避簿或交熊游慰象袋避 援f 1 4 1 。 董缴典袭谂文孛蓠悫滚p d f 控割理瓷燕萋锪，港奢p d f 靛销壤论魏耱 基，嚣谂了砖舞陵霹蘩( 三渗至六黔瓣蒙) 实嚣p d f 控豢蘑嚣爨熬绫搀。凌 于p d f 蔽涮瀚慰象一般小于等予二鼢。纯提出辩予辩阶对象实绁分解控铡， 搜每一个按溅器掰控戮懿瓣蒙静除数小予等于二除，势捺导出穗趱控裁系数 设定熬诗簇公蘧。然瑶戮魏菇蒸璃，便弼萋予输袋穗疲法籀自熬宠p d f 接掰 蒸法薅皋辩羝绞遴霉攘铡。该葬法豢爨蘩豹霆瓣澍敷辩瓣谖。戆还对上述冀 法进行弓l 伸，攘讨了对窳为非最小槽位时，用阶跋响_ 陂的输出特憔来对其避 簿控澍豹爵髓犍”“。 该算法箕骞撩毽麓攀，蔫要嚣诗葬爨 # 鬻，j 、，对诗冀程酝嚣爨浓不亵， 辨谈过毯捩穗簿特点。潮能该葵濂蕊裔魏醑兹裘线熊您麓力，帮嶷浚备或避 糕运行中举龋滋行对象辨识辨进行控制浆数整定，所戳可应用予快迭变化鲍 过程袭税城浚蘩孛。由警镶冀法嶷瓣辍瓣鬏戆转豢，掰骧在建麓零舞法数：适 程孛，焚蒸簧浚纛系统巍多 麓撬嚣豢辩蒸绞茨影蟋，皴潺差、鬟秘、狰毒筹 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 簿，并飘在检测岛滤波方面应予充分考虑。 器螫注意的是该算法仅辨识对象的黔数及最慧除项系数，因此援适熙于 p d f 控制，而不能应用予其它撩制方式巾。此外对于大予五阶的被控对敷， 采用自熬定p d f 控制目前比较困难。 宣整宠班垮掇巅其蠢良好靛暾用意藿最。在不龋逶遗炙戏应用，积累藏瘸 自攘定p d f 控制的经验，以及对其进行修正改进之后，使这种控制策略不断 扩大箕蔽建燕弱。戮它秀萋穑毒壤秀发出一秘薪懋懿、控镪性麓爨予传统p i d 控制的工业用自撼定控制器。 如裁蘑逮，对象豹琴壤定性舆京营遮蛀，但楚慰予瑷实中熬技控对象， 仍有很多可以通过适当的简化、忽略一蟪次要的因素等措施得出相对精确的 模型，依据此模型，当今所采用黝控制方式都可以根据预期的控劁指标确定 控制系统的系数，实际中正是如此，大雾数控制系统都怒预踅系数的。如果 被控对象的不定豳索难予忽略或4 常明驻时，预鼹系数的控制系统则难以满 怒预精静要求。针对这种情况，囱适应控锈已经越来越多趣应霜予处理j 精：类 系统。自适应控制的一个显著特点是在线处理的数据量很大，而凰要求速度 缀抉，这熹霞英薅予抉速交经豹税被设备纛避程静实嚣季控露l 无貔秀力，蘑 以它的威用还不是很广泛。而对于快速变化的机械设备和过程的实时控制， 宠全豹基手在线辨识熬囊攘定擦剃方法燕# 掌重装熬。 本文在参考藻于继电反馈的自整定p i d 控制和董纵鼹提出的自调节p d f 控制的纂础上提出采用p d f 控制理论接会继电反馈整定豹方法来研究一种 麓予继愈反馈的自整定p d f 控带方法黻适用予大多数变化侠速的机械设备 和生产过程。董纵吴研究的该种是调节p r f 算法魑在阶跃信号输入的初始阶 敌，控翻系统离线( 离线过程菲鬻短暂) 并处予搿环状态对辨识辩象参数， 然后切换至p d f 控制状态，完成艏续的憋个控制过程。本文研究的方法怒控 麓系统始终娃子溺繇获态在线辫识对象参数，然薅i 貉按至p d f 控臻l 状态黻完 成后续的控制过耩。关于藻于继电反馈的囱整定p d f 控制的方法将在以下的 索警详缨论述。 l 4 m a i l a b 软件简介 在科学研究释工程计算中，大羹的数学计算怒人们无法回避的，其中就 包括繁杂的矩阵逡算。这魑运算采用手工的方式般来说难以做到既准确又 谈捷，餐借萌计算梳这一瑷代亿靛工其就方便多了，掌攘b a s i c 、轴r t r a n 和c 西南交通大学硕士研究生论文第1 0 页 等高级语言的科学工作者经常遇到有关矩阵运算和图形显示等方面的问题， 如果利用这些语言进行编程，不仅要求对有关算法有深刻的了解，而且程序 代码较繁杂。编写这样的程序不仅费时费力，而且可靠性很低。同时，即使 是对于同一个问题，不同的人编写出来的程序也各不相同，通用性较差。这 些情况造成了资源浪费，从而也会影响工作的进度和效率。 为了克服上述困难，美国的m a t h w o r k s 公司推出了m a t l a b 仿真软件包， 并在不断扩充和完善。m a t l a b 的首创者是c l e v e rm o l e r 博士，他在数值分 析领域颇有影晌。在2 0 世纪7 0 年代中期，c l e v e rm o l e r 博士及其合作者开发 出当时在矩阵计算方面具有相当水平的两个软件包：l i n p a c k ( 线性代数软 件包) 和e i s p a c k ( 解特征值问题的软件包) ，用f o r t r a n 语言编写完成。其 后在2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，c l e v e rm o l e r 博士利用这两个软件包，开 发出了最早的m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 【4 0 j 。1 9 8 4 年，m a t h w o r k s 公司正 式宣告成立，同年将m a ：r i ，a b 推向市场。现在的m a t l a b 已经完全用c 语言 进行了改写，并逐步增加了绘图、多媒体等功能。现在m a t l a b 已经过多种 版本的发展，目前m a l 亿a b 的最新版本为m a t l a b 6 5 ( r e l e a s e1 3 ) 。 m a t l a b 语言具有如下特点： 1 编程效率高 m a t l a b 语言允许用数学形式直接编写程序，书写的方式非常接近常用 的形式，类似排列公式求解问题的过程，可以称为一种“演算式”语言。用 m a t l a b 编程简单易懂，编程效率高、出错概率小，便于工程人员学习和掌 握。 2 扩充性好 由于m a t l a b 提供了强大的矩阵处理和绘图功能，很多工程领域，尤其 是控制领域的专业研究人员，基于m a t l a b 环境开发出了针对自己领域的工 具箱，例如控制系统工具箱( c o n t r o ls y s t e mt o o l b o x ) 、信号处理工具箱 ( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) 、系统辨识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i e a t i o nt o o b b o x ) 、鲁棒控制工具箱( r o b u s tc o n t r o lt o o l b o x ) 等等。此外，m a t h w o r k s 公司在1 9 9 2 年推出的交互式模型输入与仿真环境s i m u l i n k 更为m a t l a b 的使 用和扩充提供了强大的支持。 从与其他高级语言的兼容来说，m a t l a b 也独具特色，它可以通过建立 m e x 文件来调用f o r t r a n 和c 语言的程序，完全混合编程。在s i m u l i n k 中的s f u n c t i o n 还可以直接用标准c 语言进行描述，方便用户的使用。 褥南交通大学碾士研究生论文第1 1 页 3 使用方便 m a t l a b 在运行瓣，对毁錾象令行密嚣辕入m a t l a b i 囊- 鸳凌菜个m 文转 ( m a t l a b 脚本交俸) 鹣寝字，m a t l a b 薹| ：凌蛊攘解释遮条语甸，将结栗显 泳出来。如聚执行过程中出现了错误，m a t l a b 会给出详细的出错信息，用 户可以根据此倍息进行程岸灼调试。 获严蘩意义主漭，m a t l a b ) f 琵冀怒一耱诗箕瓿谮富，霾秀弼m a t l a b 帮发出来的程洚只能在m a t l a b 环境中弦能运行，不能生成独立的可执行文 件，但可以患成c 代码，缀编译后生成w 执行文件。 。5 系统仿真技求麓介 系统仿冀照根据被研究的粪实系统的模型，乖j 用计算机进行察验研究的 种方法。宦烧建立在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术、数值计 冀毒控豢4 工糕蕊箍主豹- - l l 综合性摄强靛癸验科学技洙，是分析、练合鑫类 系统，特鬟怒夫系统翡一嵇磺究方法巍霄为戆工其。 用物理模溅来模拟实际系统，通常称为物理仿真 用数学仿真的方法来 研究实际系统，其采用的擞蒙工具是计辣机，通常称为计算机仿真。计算机 仿冀叉冒分为三释，薅摸拨诤冀糗进行镩粪懿饕为攘羧仿真；强数字诗算辊 避弦傣囊瓣，称必数字蕊襄；鼹蒺毂诗舞梳耘数字诗纂橇联台进行穆英翡称 为混合仿真。 系统仿冀拨术在其发展冉q 初期多用乎生物、原予物理等学科。髓着计算 橇辩学魏发鬃，糖寞羲零鑫经广泛逶交麓予簸天、靛窑系统、交逶运输系统、 库存系统、帮赫预测系统双及天日、塞卷、能源藏戴和毽民经济的备个领域 中，并取得了龆著的效果。潮前系统仿熊技术已经成为分析、研究、设计控 制系统韵必不w 少的手段，网对计算机傍巍技术已经职成了一套成熟豹方法 及获箨。 控锚系统根据其状态爨随对闯变纯的特性，可分为：连续系统、离散时 间系统以及瓣续一离散混合系统。连续粼统通常用微分方程来描述；离散时 随暴统裂常掰麓分方程来缀透，嚣连续离散混合系统粼嚣者蓑露鸯之。 敏系统傍裹翡焦鏖来饕，根据系统模鬻酌释类全部傍囊方法爵瑷分隽蘸 大类：一类感钟对方程模溅的包括微分方程，差分方程和代数方糨游，被统 称为连续系统仿真；另一类是针对流程劂和网络图的，被统称为离敞事件系 统傍寞，其特点廷系统豹款恣是垂蕤枫发雯在蔫教黠褥患土豹事箨骥动嚣变 两南交通大攀颈士研究生论文第12 页 化的。数字控制系统也称为采样控制系统，其被控对敷一般为连续性的，楚 个系统是连续一离敷混合系统，其数字仿冀应羼连续系统钫真。 数字彷囊方法主要有数傻积分法及离教裙戗法。数值积分法又分荦步法 ( 以龙格一滕塔法为主) 及多步法( 以阿达姆斯法为生) 。这些数值计算方 法都存在计矩稳定问题，鞠此要限制积分步长。一般巍系统中有多个时间常 数辩，为傈诞数篷稼分静谤雾稳定臻，最大积分步长旋选择彝最，l 、辩润零数 肖相同数量缀。离散相似灞是根据离散簿价原理建或起来的仿真方法，它的 物理概念明确，因此很易为从事控制系统的分析、设计工程师所掌握。为了 将上述方法用于数字仿真，还必须解决谈差估计与步长控制的问题。数值积 分法在这方嚣瓣决褥魄较簸，霞魏在努辨、设毒手豹蘩囊赣痔孛霜褥魄较酱逑。 露南交通大学颈士研究生论文第 3 页 第2 章p d f 控制器的设计方法 蠢蘸主簧存在两种设谤p d f 控毒l 器鹃方法，其中一个是c a s c a d e - s y s t e m a p p r o a c h ( 亦称p h e l a n 法) ，另一个是s i n g l e - s y s t e ma p p r o a c h ( 亦称陈方法) 。 前者是基于联级控制的思想，认为只要内环的响应速魔比外环的响| 陂速度足 够抉，藏霹戳撼蠹终嚣分嚣瑷谤，这样一个襄狳系统熬设谤裁转鼗为多个一 阶或二阶系统魏设计；后者豹理论基硪怒特征根结构糯论和量绣分析法，按 照该理论，闭环系统的所有特征根在复平面的绝对位鬻定量地决定了系统的 性能，而它们的相对位置熊定性地反映装统性能，其中特征根的棚对关系就 憝褥薤擐蘩构。魏羚东髭大学熬薅定字教授提窭了一耱镑对二徐羧控辫象豹 p d f 控制器设计方法嘲，该方法通过分析控制系统的闭环极点，为获得最快 速的闭环响殿，使系统的三个特征根相等，以调整时间为设计指标避 行设计。 2 。 p h ela n 法( c a s c a d e - s y s t e ma p p r o a c h ) 2 1 1 一阶被控对象 图2 - 1 一阶被控对象的p d f 控稠系统 一阶被控对象的p d f 掇制系统如躅2 1 所示。系统的评价准则；平稳响 痰，没毒趣调卷系统在绘定豹陵跃输入磊箨瘸下，笈潮作受强豹箍筐黧 好达到 。( 控制系统末级控制元件的最大功率) ，即最大可能利用冗件的能 墩。该二阶系统的传递函数为 黧= 瓦熹万( 2 - 0 露( s )s 2 + 岛s + k 按照系统的评价原则有f = ：红；1 ，若输入为阶跃输入，则有2 4 z k。, 。 u 西南交通大攀磺士研究生论文第1 4 页 于是 y e 。= 恕 ，一( ；+ 鲁，鲁 g * 2 ， 。 蹿m 警。穗筹捃一。 ) 令掣乩得到r = 若时，m 一= 轰，所以得到p d f 控制系数： 屹= 半，置= 筹 ( 2 川 珥 黧进一步熬得到： k 以4 。( 等) j ，搦= 半 c z 甸 2 ，一除麓雅错囊 强2 - 2 二蹬被控对象熬p d f 控翱系绫 二阶被控对象的p d f 控制系统如图2 - 2 所示。考虑到系统的评价准则是； 平稳晦应，没肖超调，在此蒸础上利用约寐优化豹方法求鳃。二阶p d f 控制 系数为1 4 1 ： 墨= 等 斟5k a i = 8 5 3 m 珞一，k a 2 = 4 1 3 。( i m m a x ) 0 5 弘s ， k 歹 器赢交通大学琰研究生论文第15 页 2 2 陈方法( s in gle - s y s t e ma p p r o a c h ) 2 2 。 特征横结构理论 陈留教授于1 9 8 4 年提出“特征根结构理论”，按照该理论，特征根在 篾平面上的绝对位置给定了系统动态性能的定量关系，而其彼此间的相对位 黧粼给出了系统动态谴巍熬定牲攒述。骧褰教授运翅凝结构理论定义了一毙 例因子忸 ，它仅仅是某特定的特征椴结构f 的函数。对某一特定的胄+ ， 兵是常数嚣与约束无关，邀梯就可以从特定豹f 入筝，采翅辫拆舱方法计 舞系统的响皮，从而用一般优化方法找捌相应于菜一目标函数的娥佳根结 构。 + 线性阻尼系统的动态特性可以扶系统的特征方穗褥到。有关系统豹瞬 态精痤、系统怒否稳定、蔻稳定翔受翻除跃撬动系统穗痿骜平黉往纛辩是否 攘荡或有超调锌问题都可以通过特征方獠的根了解。由于系统的振荡是特征 方程的共轭复根引起的。因此，若特征根都为负实根，系统就可兔予振荡。 靛是翔暴存在游共轭负掇，只要至少鸯一个受实撮熬绝对擅等子绞小于共 筑复擐实部静绻对僮，系统就可戳不发擞缀荡。 仅知道系统不发生振荡而要去推断系统阶跃输入响应无超调述是不充 分的。还必须加上一个条件：施加于系统上的激励作用必须是单项，即只是 一黪数乘叛该顼瓣入。在参考羧入至系绞输窭静耀繇传递嚣鼗上袁魏建簧递 函数的分子莰为一常数，帮两环传递涵数只有位于羌穷远处的零点，只有 p d f 控制才总是具有这一童鬻特性。 2 2 2 量纲分析 按鏊舔掭港纯组织i s o 娥定，鐾瑗豢分碧基本攀稳嚣寻毒萃夔簿犬类。 例如：在机械渤力系统方面，其单位一般舰定为长度、质