[发明专利]一种互耦PD协同控制理论新方法

说明书

针对未知非线性复杂系统的控制难题，发明了一种不依赖于被控对象模型的互耦PD(MCPD)协同控制理论新方法。该方法将未知系统动态和外部不确定性定义为总和扰动，从而将未知非线性复杂系统映射为未知线性系统，进而构建了总和扰动反相激励下的受控误差系统，据此设计了以中心速度因子及其偏差率为核心的MCPD协同控制器模型。理论分析了由MCPD协同控制器组成的闭环控制系统不仅具有全局渐近稳定鲁棒性，而且还具良好的抗扰动鲁棒性。MCPD协同控制器的问世不仅能够有效解决传统PD控制器的整定难题，而且也能够对现行PD控制技术的评估与升级提供科学的理论依据。本发明在未知非线性复杂系统控制领域具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种未知非仿射非线性复杂系统控制，尤其是涉及一种互耦PD(Mutual-coupling PD,MCPD)协同控制理论新方法。

背景技术

半个多世纪以来，基于频域设计方法的经典控制理论(控制论)与基于时域设计方法的现代控制理论(模型论)独立发展，形成了各自的方法论体系。在控制工程实际中，控制目标与被控对象实际行为之间的误差是容易获取的，也是能够适当加以处理的，因而“基于误差来消除误差”的控制策略的原形，即PID(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制器在实际工业控制领域获得了广泛应用。而对于实际控制工程问题，由于通常很难给出其“内部机理的描述”，因而基于数学模型的现代控制理论给出的控制策略，在实际控制工程中很难得到有效应用。这就是控制工程实践与控制理论之间延续了半个多世纪而未能得到很好解决的脱节现象。然而，PID及其各种改进型PID都存在增益鲁棒性差、抗扰动鲁棒性也差的局限性。

发明人认为：导致PID存在这两个局限性的根本原因集中表现在两个方面：其一是比例增益k_p缺乏明确的物理属性；其二是比例增益k_p被视为独立变量，从而导致比例增益k_p、积分增益k_i和微分增益k_d等三个增益之间相对独立，进而导致比例控制力u_p＝k_pe₁、积分控制力u_i＝k_ie₀和微分控制力u_d＝k_de₂在控制过程中表现出相互独立、各自为阵的不协调控制行为。此外，PID中的积分环节是一个惰性环节，尽管可以消除静态偏差，而且对抑制常值扰动也确实有效，然而，无扰动情况时，积分环节会使闭环系统的动态特性变差，而对实时变化的扰动而言，积分环节的抑制能力并不显著，特别是针对不稳定平衡点零点的控制问题，不采用积分环节的控制效果反而更好。事实上，自抗扰控制(Active DisturbanceRejection Control,ADRC)和滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)通常都忽略了误差的积分环节，本质上是一类比例-微分控制(Proportional-Derivative，PD)。因此，在忽略积分环节的基础上，PID控制简化为PD控制。

为了解决PD控制的局限性问题，在全面而深入掌握PD控制、滑模控制和自抗扰控制等三大主流控制技术比较研究的基础上，中国学者曾喆昭教授经过近10年的潜心研究，创造性发明了以中心速度因子和中心速度偏差为核心耦合因子的“一种双速自适应比例-微分控制方法”(申请号：201811447642.0)。该发明的控制方法通过中心速度因子及其偏差将误差的比例和微分两个不同物理环节紧密耦合在一起，使得两个环节的控制力在控制过程中表现出功能各异而目标一致的协同控制机理，并从复频域分析了闭环控制系统的全局鲁棒稳定性和抗总和扰动鲁棒性，不仅能够有效解决PD的整定难题，而且也能够为现行PD控制技术的评估与升级提供科学的理论依据，从而能够实现扰动感知控制理论与实际控制工程的零距离接轨。