基于繼電反饋的頻域辨識與自整定控制器的研究.pdf

1、盡管控制理論已經(jīng)取得了極大的進展，許多先進的控制方法相繼提出，PID控制器仍然是應用最廣泛的控制器。據(jù)統(tǒng)計，在過程控制中，超過95％的回路的控制器是PID類型，大多數(shù)實際上是PI控制。 繼電反饋自整定技術的出現(xiàn)，使得PID控制器的調(diào)節(jié)變得十分簡單。本文研究了繼電反饋技術的最新研究成果，從面向工業(yè)實際應用的角度出發(fā)，提出了新的基于繼電反饋的頻域辨識方法和自整定控制器設計方法，用于解決工業(yè)過程的建模與控制問題。 論文分四個部

2、分：(1)基于繼電反饋的頻域辨識的研究；(2)基于繼電反饋的自整定控制器的設計；(3)繼電反饋對系統(tǒng)監(jiān)測及性能評價的應用；(4)繼電反饋在典型過程控制問題中的應用。 本文的工作包括以下幾個方面：1.將繼電反饋技術與頻域辨識方法結合，提出一種新的辨識方法。該方法可以有效避免現(xiàn)有的繼電反饋辨識方法辨識時間過長且只能辨識固定結構的低階模型的缺點，能夠辨識包括遲延在內(nèi)的任意階模型的傳遞函數(shù)參數(shù)。首先由一次繼電反饋實驗辨識過程多點的頻率響

3、應數(shù)據(jù)；其次利用最小二乘方法估計模型傳遞函數(shù)參數(shù)的初值；最后通過變換，將非線性的目標函數(shù)化為解析形式，由共軛梯度法準確的辨識模型傳遞函數(shù)參數(shù)。 2．基于繼電反饋的自整定控制器的設計。自整定控制器的設計包括一般單變量控制器的設計和魯棒PI控制器的設計。一般單變量控制器具有靈活的結構，當為低階時，可以等價于PI/PID控制器。利用過程多點頻率響應數(shù)據(jù)，規(guī)定理想動態(tài)特性，由最小方差的方法擬合理想動態(tài)特性來計算控制器的參數(shù)。魯棒PI控制

4、器的設計以最大靈敏度為設計參數(shù)，使系統(tǒng)回路傳遞函數(shù)的Nyquist曲線與以點(-I，0)為圓心，最大靈敏度的倒數(shù)為半徑的靈敏度圓相切。通過引入Bode積分。過程幅值與相角的導數(shù)可以由過程的頻率響應求得，使得魯棒控制器的設計無需過程模型。 3．繼電反饋對系統(tǒng)的在線監(jiān)視及性能的評價。由改進的繼電反饋結構在線辨識閉環(huán)控制系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度，從而達到性能監(jiān)視及評價的目的。方法的關鍵在于對極限環(huán)幅值的線性假設。對線性假設的準確性進行

5、了廣泛的檢驗，并給出了該假設成立的條件，即過程的Nyquist曲線具有順時針性質(zhì)。當控制系統(tǒng)性能較差時，由繼電反饋實驗得到的過程的頻率響應數(shù)據(jù)進行控制器的再整定，無須額外的調(diào)節(jié)時間。該方法同時具有性能監(jiān)視和控制器的再整定的功能，因此可以使控制系統(tǒng)具有很強的自適應能力。 4．順序繼電反饋控制對多變量系統(tǒng)的應用。首先闡述了該方法對雙輸入雙輸出過程的控制，然后將其推廣到n×n的多變量系統(tǒng)。與其他方法相比，該方法在自整定的同時可以準確的

6、辨識過程模型，因此可以有效的解決變量配對問題，并使解耦或基于模型的多變量控制器的設計成為可能。 5．繼電反饋控制對典型過程控制難題的解決方案。討論了繼電反饋控制在非線性、大滯后這類典型的過程控制難題中的應用。將繼電反饋控制與多模型自適應控制相結合，對強非線性系統(tǒng)進行控制；將繼電反饋控制與Smith預估控制相結合，對大滯后系統(tǒng)進行控制。最后，介紹了PEMFC燃料電池的工作原理，分析了影響PEMFC性能的因素，將繼電反饋自整定控制應