一种新型抗扰控制系统及参数整定方法与流程
1.本技术属于自动化控制技术领域，具体涉及一种新型抗扰控制系统及参数 整定方法。
背景技术：
2.pid控制器结构的调节器广泛应用于工业控制领域中，在一些复杂的控制律 中，其基本控制层采用的仍然是pid控制算法。在工业过程中，控制系统存在 各种形式的扰动，对系统最终的控制效果存在严重影响，但pid控制只有积分 器对阶跃扰动有一定抑制作用，在应对其他内部、外部扰动方面效果不佳。扰 动观测器是将外部扰动以及模型参数变化造成的实际对象与名义模型之间的差 异统统等效到控制输入端，即观测出等效扰动，并在控制中引入等效的补偿， 实现对扰动的完全控制。控制系统引入扰动观测器，能很好的抑制系统外部扰 动及模型自身参数变化扰动对控制系统的影响，达到优化控制效果的目的。
3.根据adrc原理改进的基于dob扰动观测器的控制器，参数整定方法远远 好于标准dob，并且阶次比同阶adrc低一阶，在结构得到优化的同时能保证 相同的控制效果，所以这种新型抗扰系统将更有市场前景。
技术实现要素：
4.针对上述问题，本技术实施例提供了一种新型抗扰控制系统及参数整定方 法，本技术的抗扰系统能够有效补偿系统的外部扰动和内部扰动，所述技术方 案如下：
5.本技术第一方面提供一种新型抗扰控制系统，包括：被控对象g
p
(s)、扰 动观测器、状态误差反馈控制律gc(s)以及参考模型gn(s)；
6.所述扰动观测器的输入为被控对象的输入u和被控对象的输出y，扰动观 测器的输出为有其中，gn(s)为n阶积分串联型参 考模型，q(s)为补偿函数，有同时保证物 理可实现，新型抗扰系统的观测器输出值在达到稳态时可以近似跟踪系统内部 扰动和外部扰动之和。
7.例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统中，所述状态误差反馈 控制律gc的输入为设定值r和被控对象的输出y相减后的误差e，所述状态误 差反馈控制律gc的输出为u0，则有u0＝gc(r-y)，且gc满足：
[0008][0009]
令k1+k2s+
…
+kns
n-1
+sn＝(s+ωc)n，其中，
是一个n-1阶低通滤波器，ω0为扰动观测器的带宽，也可以称为 滤波参数，b0为新型抗扰控制器的比例带，ωc为所述状态误差反馈控制律的带 宽。
[0010]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统中，所述状态误差反馈 控制律gc的输入为设定值r和被控对象的输出y，且满足以下表达式：
[0011][0012]
令k1+k2s+
…
+kns
n-1
+sn＝(s+ωc)n，其中，
[0013]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统中，当所述参考模型gn(s) 为一阶形式时，状态误差反馈控制律为基于dob的所述扰动观测器 的控制器u的表达满足以下公式：
[0014][0015]
其中，ωc为所述状态误差反馈控制律的带宽，参考模型逆为一阶 形式补偿函数新型抗扰系统的观测器输出值在达到稳态时可以近 似跟踪系统内部扰动和外部扰动之和。
[0016]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统，当所述状态误差反馈 控制律gc(s)为一阶形式时，所述状态误差反馈控制律参数ωc和所述滤波参数 ω0的比值为λ，即令则：
[0017][0018]
其中，ωd为新型扰动控制器的带宽。
[0019]
本技术第二方面提供一种新型抗扰控制系统的参数整定方法，包括如下步 骤：
[0020]
步骤一：基于所述状态误差反馈控制律和所述扰动观测器在被控对象的控 制系统上进行控制算法组态；
[0021]
步骤二：获取被控对象的飞升曲线，得到被控对象的稳态增益k、近似一 阶加纯迟延系统的时间参数t和延迟时间τ；
[0022]
步骤三：当被控对象为一阶模型时，设置ωd，λ，b0的初值，得到控制器的 参数；
[0023]
步骤四：基于仿真平台进行调试，自初值逐步调节稳态增益b0，使得闭环 控制效果满足性能指标，满足则选取闭环控制效果满足性能指标的稳态增益b0和ωd，得到ωc和ω0的最佳参数，将最佳参数设置到所述步骤一完成的逻辑组态 中，并投入运行；不满足则记录最佳b0值并基于仿真平台进行调试，自初值逐 渐减小ωd，每减小一次ωd，自最佳b0值逐渐调节稳态增益b0，使得闭环控制效 果满足性能指标，再选取闭环控制效果满足性能指
标的稳态增益b0和ωd，得到ωc和ω0的最佳参数，将最佳参数设置到所述步骤一完成的逻辑组态中，并投入运 行；所述性能指标包括闭环调节时间小于等于设计值t
s2
并且系统无超调。
[0024]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统的参数整定方法中，所 述步骤一中，被控对象的控制系统包括dcs控制系统和plc控制系统。
[0025]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统的参数整定方法中，所 述步骤四中，所述控制系统的初值b0为：
[0026]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统的参数整定方法中，所 述扰动观测器的带宽ωd的初值为：
[0027]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统的参数整定方法中，当 系统采用一阶dob扰动观测器时，所述λ的初值为0.1。
[0028]
本技术的新型抗扰控制系统及参数整定方法所带来的有益效果为：本技术 的抗扰系统能够有效补偿系统的外部扰动和内部扰动，本技术的参数整定方法 主要针对过程控制具有外扰和模型不确定的控制对象，将控制对象模型统一看 成为积分串联型对象，并且在状态误差反馈控制律后串入低通滤波器，结合扰 动观测器组成新型抗扰控制系统，具有可调参数少，整定方向清晰，调试规律 和物理意义明确的特点，能更好满足现场控制工程师的调试习惯，避免了需要 知道精确的过程对象模型和调试过程不明确的问题。
[0029]
本技术广泛适用于工业过程自动化控制领域，尤其适用于火电厂、石油化 工，钢铁冶金等过程控制领域。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1是实施例一中新型抗扰控制系统及参数整定方法结构图；
[0032]
图2是实施例三中新型抗扰系统的扰动观测器控制系统输出响应图；
[0033]
图3是实施例四中不同抗扰系统控制同一对象系统输出响应对比图；
[0034]
图4是外部扰动设定值与标准dob及新型抗扰系统扰动之间的比较图；
[0035]
图5是实施例四中新型抗扰系统输出值与adrc系统输出值的比较图；
[0036]
图6是实施例五中主汽温系统的飞升曲线图；
[0037]
图7是实施例五中新型抗扰系统控制主汽温系统输出响应图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0039]
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领 域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第 二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不 同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件 或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元 件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械 的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、
ꢀ“
左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后， 则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0040]
本技术第一方面提供一种新型抗扰控制系统，包括：被控对象g
p
(s)、扰 动观测器、状态误差反馈控制律gc(s)以及参考模型gn(s)；所述扰动观测 器的输入为被控对象的输入u和被控对象的输出y，所述扰动观测器的输出为 所述扰动观测器的输出满足以下公式：
[0041][0042]
其中，gn(s)为参考模型，q(s)为补偿函数，同时保证物理可实现。 所述的n阶参考模型gn(s)，采用积分串联型补偿函数为所述状态误差反馈控制律gc的输入为设定值r和被控对象的输出y，它们相减 后为误差e，输出为u0，有e＝r-y；u0＝egc。考虑到状态误差反馈控制律gc 需物理可实现，则有：
[0043][0044]
令k1+k2s+
…
+kns
n-1
+sn＝(s+ωc)n，其中，则有
[0045][0046]
其中，是一个n-1阶低通滤波器，ω0为扰动观测器的带宽， 也可以称为滤波参数，b0为新型抗扰控制器的比例带。
[0047]
其中是一个n-1阶低通滤波器，b0为参考模型中的参数b0。
[0048]
为减少控制器参数，令k1+k2s+
…
+kns
n-1
+sn＝(s+ωc)n，其中，，其中，整理得到的n阶状态误差反馈控制律gc公式如下：
[0049]
[0050]
控制器的输出u等于误差反馈控制律的输出u0，减去干扰观测器的输出即将u0＝gc(r-y)，分别代入，得到基于dob 扰动观测器的控制器u的表达，整理得到公式：
[0051][0052]
基于dob的所述扰动观测器的控制器u的表达满足以下公式：
[0053][0054]
例如，在一个实施例提供的所述新型抗扰控制系统，当所述状态误差反馈 控制律gc(s)为一阶形式时，有ωc为所述状态误差反馈控制律的带 宽，参考模型逆为一阶形式补偿函数将参考模型、控制 器代入到基于扰动观测器的控制器输出u的表达式，得到：
[0055][0056]
实施例一：
[0057]
一种新型抗扰控制系统，如图1所示，被控对象gp(s)、扰动观测器、状 态误差反馈控制律gc(s)以及参考模型gn(s)；所述扰动观测器的输入为被 控对象的输入u和被控对象的输出y，所述扰动观测器的输出为所述扰动观 测器的输出满足以下公式：
[0058][0059]
其中，gn(s)为参考模型，q(s)为补偿函数，同时保证物理可实现。
[0060]
控制器的输出u等于误差反馈控制律的输出u0，减去干扰观测器的输出即将u0＝gc(r-y)，分别代入，得到基于dob 扰动观测器的控制器u的表达，整理得到公式：
[0061][0062]
由系统闭环传递函数公式可以得到带有dob的系统闭环传递 函数：
[0063]
[0064]
假设被控对象为控制器gc只有比例环节，即gr(s)＝kc，补 偿函数可以设置为参考模型为将上述表达式代入闭环 传递函数gb公式，整理得到：
[0065][0066]
由闭环传递函数求其稳态增益说明标准dob的控制系统 在控制器只有比例环节的情况下无法消除稳态误差，故控制器必须添加有积分 环节以消除系统稳态误差。
[0067]
改变控制器形式，设控制器增加积分环节，即补偿函数可以 设置为参考模型设置为将上述表达式代入系统闭环 特征方程整理得到：
[0068]
如果令则的根在负半平面(系统稳定条 件)的充要条件是对于标准dob干扰观测器参数ω0来说，ω0设置 越大，越能更好的跟踪扰动，但是系统对稳定性的要求又限制了ω0的取值。可 见带有pi控制器的标准dob系统在参数整定方面存在困难。
[0069]
以一阶adrc抗扰系统为例，adrc自抗扰系统eso方程展开，有
[0070][0071][0072]
则adrc的控制量u有：
[0073][0074]
假设标准dob有一阶控制器gc＝kc，将u0＝egc＝gc(r-y)代入公式 中得到：
[0075][0076]
将adrc的控制量u表达与上述dob控制量公式u的表达一一对应，分 别得到控制器、补偿函数q(s)及参考模型的形式为：
[0077][0078]
可以发现参考模型gn为积分串联型。
[0079]
若dob扰动观测器中的参考模型采用积分串联型，即则其在系 统中可以替代pi控制器所提供的积分环节，而控制器gc只保留误差状态反馈， 即为控制器gc中设置参数b0以匹配参考模型中的参数b0。与此同时， 一阶dob系统中的补偿函数为比adrc中的q1低一阶，实现控 制器结构的优化。由此可以得到本技术的dob扰动观测器控制量输出公式：
[0080][0081]
由系统闭环传递函数可以得到该系统特征方程：
[0082][0083]
为了方便配置闭环传递函数零极点，可以令由此得到 ωc＝(1+λ)ωd，其中ωd称为扰动观测器的带宽。这样将控制器gc的 参数ωc与dob的参数ω0建立了数学关系，相较于标准dob来讲，进一步降低 了系统参数整定的难度。
[0084]
表1为标准dob、adrc抗扰系统、新型抗扰系统的控制器、补偿环节、 参考模型之间的形式比较，通过表1可以看出adrc抗扰系统和新型抗扰系统 的参考模型都采用了积分串联型，这就使得新型抗扰系统和adrc能很好的跟 踪内部扰动与外部扰动之和，同时由图4可以看出，在外部扰动设定值为0.2的 情况下，新型抗扰系统和adrc跟踪扰动的能力优于标准dob；而新型抗扰系 统采用了与标准dob一样的补偿函数，比adrc低一阶，形式更加简单。关于 标准dob、adrc自抗扰及本技术dob系统之间的控制效果比较，可以参考 实例四。
[0085]
表1：扰动观测器形式比较
[0086][0087][0088]
推广到n阶dob，则参考模型也需要采用n阶形式状态误差反 馈控制律gc的n阶形式为同时为 了系统物理上可实现，控制器gc在原有形式基础上串入一个n-1阶低通滤波器 则有其中b0为参考模型中 的参数b0。
[0089]
为减少控制器参数，令k1+k2s+
…
+kns
n-1
+sn＝(s+ωc)n，其中，，其中，整理得到的n阶状态误差反馈控制律gc公式如下：
[0090]
低通滤波器一阶状态误差反馈控制律
[0104]
参数整定方法包括以下步骤：
[0105]
第1步，基于本技术的新型抗扰系统和被控对象在仿真模拟软件中进行编 程组态；
[0106]
第2步，设置初值ωd＝2，λ＝0.1，b0＝22；，根据公式ωc＝(1+λ)ωd，得到系统组态参数初值：ωc＝2.2，ω0＝22；
[0107]
第3步：自初值逐步调节稳态增益b0，使得闭环控制效果尽量满足性能指 标，不满足则记录最佳b0值并进入第4步；
[0108]
第4步：自初值逐渐减小ωd，每减小一次ωd，自步第3步最佳b0值逐渐调 节稳态增益b0，直至闭环控制获得最佳效果如图2所示，最终获得最佳控制效 果的参数为ωc＝1.1，ω0＝11，b0＝22；
[0109]
实施例四：
[0110]
本实施例采用本技术新型抗扰控制系统及参数整定方法对一阶对象 与实例三相比，本实施例加入自抗扰系统与标准dob扰动观测 器作为对比，进一步论证实例一中的理论推到过程。最终获得各自最佳控制效 果如图3所示，最佳参数如下：
[0111]
标准dob最佳参数：ω0＝0.05，kc＝0.43；
[0112]
本技术最佳参数：λ＝0.1，ωc＝1.1，ω0＝11，b0＝22；
[0113]
自抗扰控制系统adrc：λ＝0.1，ωc＝1.2，ω0＝12，b0＝12；
[0114]
由图5可以看出，本实施例的输出曲线与adrc的输出曲线非常接近，标 准dob迟迟不能消除余差，同时本技术控制器结构则更加简单，从而更有市场 前景。
[0115]
实施例五
[0116]
本实施例采用本技术新型抗扰控制系统及参数整定方法对某330mw机组 过热器出口温度控制进行抗扰控制，该温度控制模型如下：
[0117][0118]
其中，p1(s)为副回路被控对象，p2(s)为主回路被控对象，两者串联后的单位 阶跃响应曲线如图6所示。
[0119]
该系统近似foptd模型如下：
[0120][0121]
第1步，基于pid控制器在被控对象的控制系统上进行控制算法组态；
[0122]
第2步，现场采用飞升曲线法，获取被控对象的稳态增益k、近似一阶惯 性加纯迟延系统的时间参数t和τ，即k＝-0.4，t＝130，τ＝64，设置初值 ωd＝0.00847，λ＝0.1，b0＝0.037。
[0123]
第3步，基于仿真平台进行调试，逐步调节ωd及b0，每次调节参数，都根 据公式ωc＝(1+λ)ωd，计算得到最新的ωc和ω0取值，并更新组态程序；
[0124]
第4步，基于仿真平台进行调试，最终调节得到最佳控制效果如图7所示， 选择最佳参数ωd＝0.0092，b0＝0.035，ωc＝0.0101，ω0＝0.101。
[0125]
尽管已经出于说明性目的对本技术的实施例进行了公开，但是本领域技术 人员将认识的是：在不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况 下，能够进行各种修改、添加和替换。
技术特征：
1.一种新型抗扰控制系统，其特征在于，包括：被控对象g
p
(s)、扰动观测器、状态误差反馈控制律g
c
(s)以及参考模型g
n
(s)；所述扰动观测器的输入为被控对象的输入u和被控对象的输出y，扰动观测器的输出为有其中，g
n
(s)为n阶积分串联型参考模型，q(s)为补偿函数，有新型抗扰系统的观测器输出值在达到稳态时可以近似跟踪系统内部扰动和外部扰动之和。2.根据权利要求1所述的新型抗扰控制系统，其特征在于：所述状态误差反馈控制律g
c
的输入为设定值r和被控对象的输出y相减后的误差e，所述状态误差反馈控制律g
c
的输出为u0，则有u0＝g
c
(r-y)，且g
c
满足：令k1+k2s+
…
+k
n
s
n-1
+s
n
＝(s+ω
c
)
n
，其中，，其中，是一个n-1阶低通滤波器，ω0为扰动观测器的带宽，b0为新型抗扰控制器的比例带，ω
c
为所述状态误差反馈控制律的带宽。3.根据权利要求1所述的新型抗扰控制系统，其特征在于：所述状态误差反馈控制律g
c
的输入为设定值r和被控对象的输出y，且满足以下表达式：令k1+k2s+
…
+k
n
s
n-1
+s
n
＝(s+ω
c
)
n
，其中，4.根据权利要求2所述的新型抗扰控制系统，其特征在于：当所述参考模型g
n
(s)为一阶形式时，状态误差反馈控制律为基于dob的所述扰动观测器的控制器u的表达满足以下公式：其中，ω
c
为所述状态误差反馈控制律的带宽，参考模型逆为一阶形式补偿函数5.根据权利要求3所述的新型抗扰控制系统，其特征在于：当所述状态误差反馈控制律g
c
(s)为一阶形式时，所述状态误差反馈控制律参数ω
c
和所述滤波参数ω0的比值为λ，即令则：其中，ω
d
为新型扰动控制器的带宽。
6.根据权利要求1-3任一项所述新型抗扰控制系统的参数整定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：基于所述状态误差反馈控制律和所述扰动观测器在被控对象的控制系统上进行控制算法组态；步骤二：获取被控对象的飞升曲线，得到被控对象的稳态增益k、近似一阶加纯迟延系统的时间参数t和延迟时间τ；步骤三：当被控对象为一阶模型时，设置ω
d
，λ，b0的初值，得到控制器的参数；步骤四：基于仿真平台进行调试，自初值逐步调节稳态增益b0，使得闭环控制效果满足性能指标，满足则选取闭环控制效果满足性能指标的稳态增益b0和ω
d
，得到ω
c
和ω0的最佳参数，将最佳参数设置到所述步骤一完成的逻辑组态中，并投入运行；不满足则记录最佳b0值并基于仿真平台进行调试，自初值逐渐减小ω
d
，每减小一次ω
d
，自最佳b0值逐渐调节稳态增益b0，使得闭环控制效果满足性能指标，再选取闭环控制效果满足性能指标的稳态增益b0和ω
d
，得到ω
c
和ω0的最佳参数，将最佳参数设置到所述步骤一完成的逻辑组态中，并投入运行；所述性能指标包括闭环调节时间小于等于设计值t
s2
并且系统无超调。7.根据权利要求6所述新型抗扰控制系统的参数整定方法，其特征在于：所述步骤一中，被控对象的控制系统包括dcs控制系统和plc控制系统。8.根据权利要求6所述新型抗扰控制系统的参数整定方法，其特征在于：所述步骤四中，所述控制系统的初值b0为：9.根据权利要求6所述新型抗扰控制系统的参数整定方法，其特征在于：所述扰动观测器的带宽ω
d
的初值为：10.根据权利要求6所述新型抗扰控制系统的参数整定方法，其特征在于：当系统采用一阶dob扰动观测器时，所述λ的初值为0.1。
技术总结
本申请公开了一种新型抗扰控制系统及参数整定方法，所述参数整定方法主要针对过程控制具有外扰和模型不确定的控制对象，将控制对象模型统一看成为积分串联型对象，并且在状态误差反馈控制律后串入低通滤波器，结合扰动观测器组成新型抗扰控制系统，具有可调参数少，整定方向清晰，调试规律和物理意义明确的特点，能更好满足现场控制工程师的调试习惯，避免了需要知道精确的过程对象模型和调试过程不明确的问题。本申请广泛适用于工业过程自动化控制领域，尤其适用于火电厂、石油化工，冶金钢铁等过程控制领域。钢铁等过程控制领域。钢铁等过程控制领域。
