[发明专利]不稳定时滞过程抗干扰PID控制器及其设计方法

权利要求书

1.一种工业不稳定时滞过程的抗干扰PID控制器，其特征在于，由设定值跟踪控制器 、扰动抵制控制器、滤波器、被控制过程辨识模型和三个信号混合器组成，其中第一个信号混合器设置在设定值跟踪控制器的输入端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出连接设定值跟踪控制器的输入端；第二个信号混合器设置在设定值跟踪控制器的输出端，它有一路正极性输入和一路负极性输入，它输出连接到被控制过程辨识模型的输入端，第三个信号混合器设置在被控制过程辨识模型的输出端处，它有一路正极性输入端和一路负极性输入端，其输出端连接扰动抵制控制器的输入端；外部设定值输入信号r(s)连接滤波器的输入端；设定值跟踪控制器的输出分两路，一路连接第二个信号混合器的正极性输入端，一路连接被控过程辨识模型的输入端，扰动抵制控制器的输入端连接第三个信号混合器的输出端，其输出端连接到第二个信号混合器的负极性信号输入端；被控制过程辨识模型的输出端连接第一个信号混合器的负极性输入端。

2.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器，其特征在于，设定值跟踪控制器提供被控过程需要的输入能量。

3.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器，其特征在于，滤波器的作用主要是消除超调，进一步的平滑设定值跟踪响应操作。

4.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器，其特征在于，扰动抑制控制器根据负载干扰信号对输出量的影响，以负反馈的形式调整被控过程的输入量大小来消除干扰信号对被控过程的影响。

5.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器，其特征在于，被控制过程辨识模型能够提供过程参考模型，为控制器的设计提供依据。

6.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器，其特征在于，信号混合器将多路输入信号混合为一路输出信号。

7.根据权利要求1所述的抗干扰PID控制器的设计方法，其特征在于，步骤如下：

1）在生产实践中，采用系统辨识技术得到的过程数学模型具有积分不稳定时滞形式：

第一种不稳定时滞过程辨识模型                         

第二种不稳定时滞过程辨识模型                             （1）

其中为过程辨识模型的稳态增益，为过程辨识模型的时间常数，为过程辨识模型的纯滞后时间；

2）设定值跟踪控制器的：

对第一种不稳定时滞过程辨识模型，根据直接合成法设计方法，其设计公式为：

                                  

其中a₁＝4λ，a₂＝6λ²+1；

对第二种不稳定时滞过程辨识模型，根据直接合成法设计方法，其设计公式为：

                            

 其中，；

式中为控制整定参数，调小可使设定值响应加快，但是所需的控制器输出能量要增大；相反，增大会使设定值响应变缓，但是要求的控制器输出能量减小；

3）为便于控制器易于实现，将(2)式逼近得到的PID形式的控制器：

其中k₁＝a₁/k，τ_i1＝a₁，τ_d1＝a₂/a₁，α＝λ⁴/T；

同样，将(3)式逼近得到的PID形式的控制器K₁(s)

其中，，；

4）滤波器F(s)的设计：

对第一种不稳定时滞过程辨识模型，给出其设计公式

                                     （6）

其中，；

对第二种不稳定时滞过程辨识模型，给出其设计公式

其中，；

5）扰动抑制控制器的设计：

对第一种不稳定时滞过程辨识模型，首先将P(s)进行转换只需T′足够大即可，根据内模控制原理给出其设计公式：

6）将(8)式逼近为PID形式：

其中k₂＝b₁/k′(4λ′+θ-b₁)，τ_i2＝b₁，τ_d2＝b₂/b₁，α′＝0.5θ，

为扰动抑制控制器整定参数，其整定规则是增大使该控制闭环的鲁棒稳定性增强，但同时削弱了其负载扰动抑制能力；相反,减小使其负载扰动抑制能力增强，但又会降低闭环鲁棒稳定性；

对于第二种不稳定时滞过程辨识模型，可以用替换，取0.2-1.2即可。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，步骤2）λ的取值范围为0.5θ－3.5θ。