大时滞系统设计模糊自适应比例积分史密斯控制研究报告

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1、-大时滞系统的模糊自适应比例积分(PI)-史密斯(Smith)控制研究中国西安710121西安邮电大学自动化学院魏秋月,王文清摘要长时间延迟环节在工业过程中广泛存在，为了克服大时滞控制系统超调量大、调节时间长的缺点，本文提出了一种新的模糊自适应比例积分史密斯(Smith)控制方法。该方法结合了史密斯(Smith)预估控制和模糊自适应比例积分（PI）控制，在史密斯(Smith)预估控制中，传统的比例积分微分控制器（PID）控制器被模糊比例积分（PI）控制器所替代，比例积分控制器运用模糊控制的原理在线调试PI控制器的参数，电炉温度控制的仿真结果表明该方法具有调节时间短、无超调、无稳态误

2、差、控制精度高的特点，同时具有很强的适应环境变化的能力。关键词自适应，模糊PI控制，Smith预估控制，大时滞1介绍在工业控制中，大时滞系统的控制一直被视为一个难点，而史密斯(Smith)预估控制通常用于这种系统。然而，按常规的史密斯(Smith)预估控制理论设计的控制器论仅仅是一个PID控制器，这对于具有时变参数或缺乏精确的数学模型的大时滞系统，很难获得满意的控制性能。众所周知，模糊控制器对于参数的变化不是很敏感，同时又具有良好的鲁棒性，一些学者运用模糊Smith算法来提高控制性能，但由于模糊控制没有积分环节，无法消除稳态误差，这些研究很难实现高精度控制。由于工程实践中PID控制

3、器中的微分（D）作用不是很明显，提出了模糊自适应比例积分—.---史密斯(Smith)控制方法，该方法结合了模糊控制、比例积分控制以及传统的史密斯(Smith)预估控制。模糊控制用来在线自动调整比例积分控制的参数，大多数情况下，传统的PID控制器参数是由操作人员人为调节的。与此同时，史密斯(Smith)预估控制用于克服长延时对于系统的影响。模糊自适应比例积分控制与史密斯(Smith)预估控制相结合可以实现对大滞后系统控制的互补作用。对采用了自适应比例积分—史密斯(Smith)控制的电加热炉系统进行了仿真，仿真结果表明，该方法可以消除系统的稳态误差，缩短沉降时间，降低超调量，同时对于

4、一定误差范围内的模型误差展示出了良好的控制性能。2史密斯(Smith)预估控制概述传统的史密斯(Smith)预估控制框图如图1所示。D(s)表示一个有理函数,表征补偿器为主控制器，表示一个稳定的、严格有理函数，用来表征模型的无延迟的一部分。τ表示纯滞后时间常数，和τ通过建模得到。内环路用来消除实际的延迟输出以及用来获得主控制器的预测输出反馈，这使得主控制器在控制回路中不产生延迟的假设成为可能。图1：传统的史密斯(Smith)预估控制框图从图l可以看出，补偿后系统的闭环传递函数为：(1）表达式（1）的等效框图如图2所示。图2：传统的史密斯(Smith)预测控制等效方框图这将延时推移到

5、了控制回路之外，由于反馈信号不会产生延迟，系统的响应会有所改善。也就是说，补偿后的系统可以消除滞后对系统的影响[5-6]。.---3模糊自适应比例积分-史密斯(Smith)控制系统的设计3.1模糊自适应比例积分-史密斯(Smith)控制原理考虑到系统的长时间延迟的特点，提出了模糊自适应比例积分—史密斯(Smith)的控制方法。该方法利用史密斯(Smith)预测控制补偿时间延迟，利用模糊控制克服模型参数的不确定性，同时利用可调比例积分控制器由模糊控制逻辑在线调整，以维持稳定状态下的控制精度[7-8]。控制框图如图3所示。图3：模糊自适应比例积分—史密斯(Smith)控制原理框图图3中

6、R(s)是给定输入，C(s)是系统输出，E(s)表示误差，表示控制对象的传递函数，表示史密斯(Smith)预估控制的传递函数。模糊自适应比例积分—史密斯(Smith)控制系统的控制过程如下：首先，确定比例积分控制器的两个参数和误差e之间的不同组合以及误差c的变化。然后检测运作中的e、c，控制器通过模糊推理在线不断修订两个比例积分控制器参数，满足不同的e和c的控制器参数的不同要求。最后，史密斯(Smith)预估器补偿时间延迟，使整个控制系统具有良好的效果[9-11]。3.2模糊自适应比例积分-史密斯(Smith)控制器设计1）比例积分(PI)控制器.---当今社会，实际中的控制器超过

7、90％都是比例积分微分控制器。这是由于比例积分微分控制器都很容易理解、容易解释、且易于实现。遗憾的是，许多的比例积分微分控制器往往不能根据变化而自动调整（例如，由于工厂参数变化或经营条件的变化），因此找到能自动调整比例积分微分控制器的方法具有重要的意义。考虑到在工程实践中微分效用的不明显性以及模糊控制的良好鲁棒性，在本文中模糊控制理论用来调节比例积分控制器的参数。比例积分控制器的基本公式是：(2)其中表示比例增益，表示积分增益。2）模糊自适应比例积分控制器的输入、输出