[发明专利]一种自适应串级PID控制方法

摘要

本发明提供了一种自适应串级PID控制方法，在常规串级PID控制的基础上，本发明通过在串级PID控制系统中引入自适应模块，根据控制系统的历史信息，通过在线模糊辨识方法和递推最小二乘算法直接产生串级PID控制中主控制器的控制参数，提高了串级PID控制系统的鲁棒性和自适应能力；本发明在主控制器的控制参数在线辨识过程中，通过串级PID控制系统主回路的输出来反映副控制器对系统控制性能的影响，只需要对系统中主控制器的控制参数进行在线调整就能够获得良好的控制效果。

主权项

1.一种自适应串级PID控制方法，由主控制器G_c1和副控制器G_c2形成串级控制系统；由控制对象的导前区G_p2和副控制器G_c2构成该串级控制系统的副回路，由控制对象的惰性区G_p1、主控制器G_c1和副回路构成该串级控制系统的主回路；主回路的输入和输出分别为控制对象的期望输出值r_p和控制对象的惰性区G_p1的输出值y；副回路的输入和输出分别为主控制器G_c1的输出值u和控制对象的导前区G_p2的输出值y′；其中，所述主控制器G_c1为PID控制器，其反馈信号为控制对象的惰性区G_p1的输出值y；所述副控制器G_c2为P控制器或PI控制器，其反馈信号为控制对象的导前区G_p2的输出值y′；其特征在于，该自适应串级PID控制系统还包括自适应模块G_ad，该自适应模块G_ad根据主回路的输出值y和主控制器G_c1输出值u在线辨识主控制器G_c1的控制参数向量S_PID；具体控制过程包括如下步骤：①设置主控制器G_c1和副控制器G_c2的初始控制参数，构造主控制器G_c1的控制参数向量S_PID的初始值：S_PID＝[s₀，s₁，s₂]^T；其中，s₀＝k_p(1+Δ/T_i+T_d/Δ)，s₁＝-k_p(1+2T_d/Δ)，s₂＝k_pT_d/Δ；T为转置符号；k_p、T_i和T_d分别为主控制器G_c1的比例增益、积分时间常数和微分时间常数；Δ为采样周期；②对控制对象的期望输出值进行滞后和储存处理，获得当前采样时刻的期望输出向量R(k)：R(k)＝[r_p(k)，r_p(k-1)，r_p(k-2)]^T；其中，k表示当前采样时刻；r_p(k)、r_p(k-1)和r_p(k-2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻和前两个采样时刻控制对象的的期望输出值；③对主回路的输出值进行滞后和储存处理，获得当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)：X(k)＝[y(k)，y(k-1)，y(k-2)]^T；其中，y(k)、y(k-1)和y(k-2)分别为当前采样时刻、前一采样时刻和前两个采样时刻的主回路的输出值；④根据PID控制方法确定主控制器G_c1的在当前采样时刻的输出值u(k)：u(k)＝u(k-1)+S_PID[R(k)-X(k)]^T；其中，u(k-1)为前一采样时刻主控制器G_c1的输出值；⑤对主控制器G_c1的输出值进行滞后和储存处理，产生主控制器G_c1在前d个采样时刻输出值u(k-d)；构造控制系统的历史数据样本集Ω：Ω＝{X^T(k-i)，u(k-i-d)}；其中d为预定的滞后步数；i＝1，2，…，N；N为预定的样本集Ω中的样本数目；X(k-i)为在前i个采样时刻控制系统的实际输出向量；u(k-i-d)为在前i+d个采样时刻主控制器G_c1的输出值；⑥利用自适应模块G_ad，根据制系统的历史数据样本集Ω和当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)，通过模糊规则模型在线刷新主控制器G_c1的控制参数向量S_PID；所述模糊规则模型包含c条模糊规则，其中的第j条模糊规则为：ifX(k)is[X‾j,μj(k)]]]>thenu^j(k-d)=θjT(k)X(k);]]>其中，j＝1，2，...，c；为模糊规则的聚类中心向量；μ_j(k)为当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)对于第j条模糊规则的隶属度；为与当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)对应的第j条模糊规则的输出重心；θ_j(k)为第j条模糊规则的后件参数向量；所述模糊规则的聚类中心向量及当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)对于各聚类中心的隶属度μ_j(k)，采用FCM算法对控制系统的历史数据样本集Ω进行模糊聚类确定；所述第j条模糊规则的后件参数向量θ_j(k)，根据模糊规则模型的综合输出的误差e_u(k-d)，采用RLS算法进行递推运算而获得；其中，模糊规则模型的综合输出为：u~(k-d)=Σj=1cμj(k)u^j(k-d);]]>模糊规则模型的综合输出的误差e_u(k-d)为：eu(k-d)=u(k-d)-u~(k-d);]]>所述在线刷新主控制器G_c1的控制参数向量S_PID，为根据当前采样时刻控制系统的实际输出向量X(k)对于各聚类中心的隶属度μ_j(k)和模糊规则的后件参数向量θ_j(k)重新确定主控制器G_c1的控制参数向量S_PID：SPID=Σj=1cμj(k)θj(k);]]>⑦返回步骤②，重新进行前述步骤②到步骤⑥的循环。