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非自衡时滞对象的PID控制研究

作　者: 冀晓翔
导　师: 汤伟
学　校: 陕西科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 非自衡对象双自由度 PID 鲁棒控制稳定裕度
分类号: TP13
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

实际工业过程中，被控对象分为自衡对象和非自衡对象两类，对于非自衡对象，其结构中一般包含一个积分环节，并且经常伴有纯滞后环节。在经典控制领域的控制器中，Smith预估器和内模控制器不能直接控制非自衡对象，而经典PID控制器对于纯滞后环节的控制存在不足。针对非自衡时滞对象的特点，对内模控制结构（IMC）增加抗干扰和性能解耦两个控制器，这两个控制器完成了消除静差和镇定被控对象的功能，使得该结构可以适用于非自衡对象的控制，最终得到了两个PID控制器，针对这两个PID控制器，本文接下来针对一阶和二阶非自衡对象，分别给出了基于H∞理论和稳定裕度理论的两种PID参数整定方案，并取得了良好的控制效果。本文研究的主要成果及主要贡献表现在如下几个方面：（1）纯滞后环节近似逼近方法选择纯滞后环节是非线性的，采用适当的线性环节对其进行近似逼近，从而达到线性化的目的。针对非自衡时滞对象的特点，根据几种经典和最新发展而来的近似逼近方式，分别使其在系统开环和闭环状态下求阶跃响应，综合仿真结果的静态和动态性能，最终选择全极点型近似逼近方法为适用于非自衡时滞对象的纯滞后环节的最优近似逼近方案。（2）基于改进IMC的PID控制器内模控制结构对于没有平衡状态的非自衡对象的控制具有先天不足，针对这种情况，本文对内模控制结构进行改进，分别加入两个控制器用于控制系统干扰和镇定不稳定对象，从而达到消除静差和镇定被控对象的目的，使内模控制结构可以直接控制非自衡对象。根据内模控制结构控制器的传统设计方法，得出两个控制器，分别为PID控制器和PD控制器，这两个控制器实现了系统设定值跟踪性能和干扰抑制性能的解耦。经过仿真研究得出本文的研究方法相对于现有的几种经典控制方案具有更优的控制品质，而且系统提出的静态和动态性能得以验证。（3）基于H∞理论的PID控制器参数整定方案根据一阶非自衡对象开环不稳定的特点，基于H∞理论，取控制系统性能指标为min||W (s) S (s)||∞，将控制器分解为微分环节与另一控制器乘积的形式，由于微分环节与非自衡对象的积分环节相抵消，那么上述分解出的控制器稳定足以保证控制系统的稳定，根据系统性能指标可以得出上述分解出的控制器，最终得到系统PID控制器的参数整定公式。经过仿真研究可以得出，该控制方案具有良好的静态性能和动态性能，适用于一阶非自衡对象的控制。（4）基于稳定裕度的PID控制器参数整定方案针对二阶非自衡对象，其依然具有开环不稳定的特点，根据稳定裕度的相关理论，得出了关于系统参数的四个方程，得到了系统处于临界状态下的控制器参数。在方程的求解过程中进行了近似处理，根据近似处理所要求的约束条件以及上述四个方程所得的控制器参数，得到了系统PID控制的参数整定公式及参数取值范围。经过仿真分析研究可以得出，该PID参数整定方案对于二阶非自衡对象的控制取得了良好的控制效果，验证了所设计方法的有效性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-20
  1.1 选题的目的及意义  11-13
  1.2 非自衡对象的发展研究现状  13-18
    1.2.1 国外研究介绍  14-15
    1.2.2 国内研究介绍  15-18
  1.3 本文的主要内容及章节安排  18-20
2 PID 控制及内模控制结构概述  20-32
  2.1 PID 控制简介  20-23
    2.1.1 PID 控制器的控制原理  20-21
    2.1.2 PID 控制器参数整定的发展  21-22
    2.1.3 PID 参数整定方法分类  22-23
  2.2 经典内模控制简介  23-32
    2.2.1 内模控制结构  23-26
    2.2.2 内模控制器的设计以及性能分析  26-29
    2.2.3 内模控制结构对非自衡对象控制的不足  29-32
3 基于改进内模控制结构的 PID 控制器  32-56
  3.1 内模控制结构的改进  32-36
    3.1.1 针对非自衡对象的内模控制器  32-33
    3.1.2 闭环系统抗干扰性能和鲁棒性分析  33-36
  3.2 纯滞后近似逼近方法的比较  36-42
    3.2.1 近似逼近方法的开环特性  36-39
    3.2.2 近似逼近方法的闭环特性  39-42
  3.3 PID 控制器设计及其仿真研究  42-56
    3.3.1 PID 控制器设计步骤及说明  42-46
    3.3.2 PID 控制器的设计  46-51
    3.3.3 系统仿真研究  51-56
4 基于 H∞理论的 PID 控制器参数整定  56-62
  4.1 PID 参数整定方法分析  56-57
  4.2 控制器设计及性能分析  57-59
  4.3 仿真研究  59-62
5 基于稳定裕度概念的 PID 参数整定  62-68
  5.1 相角裕度与幅值裕度简介  62
  5.2 稳定裕度方程及 PID 参数整定方程  62-65
  5.3 仿真研究  65-68
6 全文总结与展望  68-70
  6.1 工作总结  68-69
  6.2 未来工作展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
攻读学位期间发表的学术论文目录  74-75

非自衡时滞对象的PID控制研究

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