基于分数阶自抗扰理论的控制器设计与应用

发布时间：2020-11-11 08:01

　　 近些年,伴随着分数阶理论的快速发展,分数阶微积分理论的研究成果已经相对丰富,为其在工业生产过程控制中的应用中打下了夯实的基础,特别是在航空航天、生物医学、工业化学及机器人过程控制中得到了广泛的应用。分数阶微积分理论研究是在传统整数阶上的进一步拓展,现在许多学者已经对分数阶理论研究相当深入,并把分数阶理论运用到其他的控制器设计中。自抗扰控制(ADRC)技术不依靠被控系统精准模型,算法简单,具有较好的鲁棒性,能够实时地估量补偿被控系统中的干扰,鉴于其结构的独特性,每个控制模块互不干扰,但又整体彼此联系,使得自抗扰控制算法与其他控制算法相结合会有很大的研究空间。通过对两种控制算法的结合,互相取长补短,使得被控对象的控制精度得到极大的改善。全文主要研究内容包括:1.研究分数阶微积分基本理论与相关知识,重点分析分数阶控制器的参数整定规则及阶跃响应特性与参数变化的关系,然后建立不同类型的控制器模型。利用MATLAB仿真软件分析分数阶控制系统中的三个典型环节的频率特性,并研究控制器参数的改变对系统动态特性的影响。最后研究利用幅值裕度法、相位裕度法及Z域数值法,完成分数阶PID控制器(FOPID)的设计、数值化实现及系统仿真分析。2.研究自抗扰控制的结构特点与相关知识,确定自抗扰控制器的具体实现方法。融入两种控制思想,将ADRC控制器中安排过度过程、扩张状态观测器理论、估计补偿系统干扰的思想嵌入到分数阶控制器中。充分发挥分数阶微积分控制器与自抗扰控制器这两种控制器的优势,提出了分数阶自抗扰复合控制方法,然后着重研究了分数阶自抗扰控制器的设计方案和实现过程。3.以永磁同步电机为应用对象,分别设计FOPID控制器、整数阶PID控制器(IOPID)、ADRC控制器及分数阶自抗扰控制器(FOADRC),并对比分析了动态响应和抗扰性。研究结果表明:自抗扰控制和分数阶PID控制互相取长补短,通过实验仿真,本文提出的FOADRC混合控制方案能够主动地抑制不可预见的干扰,这种新的FOADRC控制器性能要比其他三种控制器单独使用时的控制特性更精准,从而证明了把控制器相联合来改善系统控制性能的方法是合理有效的。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O231
【部分图文】：

参数的增加能够使控制系统的控制效果更加优越，控制意想不到的结果。另外，分数解控制器对于参数的变化具有早期人员发表的分数阶文章的总结，虽然都较好的写出了分的各种控制效果，但对于控制器中的参数整定问题，还没有很有必要对控制器参数整定方案进行深入研究。随着研究者阶PID控制器的设计和参数整定方案被提出，本文主要利用的定方案是幅值裕度和相位裕度方法，另外重点分析了分数阶 PID 控制器结构制器具有可操作性强，适应能力强等特点，比如说许多工程整数阶的控制就能简化成简单的线性系统。ID 控制器表达式为：( ) ( ) ( )( )0tp i de tu t K e t K e t dt Kdt= + +控制器的输入， u (t )是控制器的输出。方程可得整数阶 PID 控制系统的结构框图，如图 3.1：

制器是分数阶λμPI D(FOPID)控制器的特殊情况，而分数阶 控制器的延伸而来[41]。我们知道，传统整数阶控制器拥有三器比整数阶增加了两个调整参数，表面上看增加了计算的复计思想更加的灵敏[42]，并且分数阶控制器对于参数的变化具λμPI D控制器时域传递函数能够表示成：u(t )ke(t)kDe(t)kDe(t)pidλμ=++ λμPI D控制器的结构框图如图 3.2：

μ= 1IOPID' 1( )p i dC s K K S K S = + +vii λ , μ > 0, λ , μ≠ 1;FOPID'( )p i dC s K K S K S λ μ= + +工程领域对于控制效果有不同的性能指标，因此λ ，μ 可以是非整还未用到复数形式。对这两个参数进行良好的调节，对于许多工程利的价值。根据以上描述可以得到，分数阶控制器比整数阶增加了面上看增添了计算的复杂性，其实对控制器的稳定特性及鲁棒特性。同时也反映了分数阶控制器的控制敏锐度，更加适合复杂的工程94 年 L. Dorcak I 成功的提出了 FOPD 控制器，PDμ控制器比传统整有任意性的可调参数μ ，由于此参数加入，扩大了控制器参数的整例微分控制器对被控对象的控制更加灵活和敏锐，同时也增大了控 1 的第五种情况可得，当 λ = 0, μ > 0, μ≠ 1时，λμFOPI D控制器就演控制器，它作为λμFOPI D控制器的一种延伸形式，其具有三个调节系数pK 、微分系数dK 以及微分项阶次 μ 。图 3.4 为 PDμ控制器的
【参考文献】

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本文编号：2878950