分数阶PI~λD~μ控制器设计与应用研究

发布时间：2017-10-31 09:13

  本文关键词：分数阶PI~λD~μ控制器设计与应用研究

  更多相关文章： 分数阶PI~λD~μ控制器 数字实现 参数整定 量子粒子群算法 高低温试验箱

【摘要】：分数阶微积分理论是任意阶积分和微分的理论。随着分数阶微积分理论研究的不断发展,分数阶微积分理论在控制领域的应用也逐渐成为研究热点,其中,分数阶PIλDμ控制器的提出是分数阶微积分理论在控制领域应用的一个里程碑。将分数阶微积分引入到传统PID控制器就得到了分数阶PIλDμ控制器,即将传统PID控制器的整数阶微积分环节变为分数阶微积分,分数阶次的引入使控制器结构更加灵活,然而,分数阶微积分的引入使得分数阶PIλDμ控制器的数字实现更加复杂,控制参数的增多也使得控制器的参数整定变得更加困难,同时,分数阶PIλDμ控制器在实际应用中的性能也有待进一步验证。针对以上问题,本文主要做了以下研究工作。首先,介绍了分数阶微积分的基本概念和分数阶PIλDμ控制器的形式,并深入研究了分数阶微积分的多种近似方法以及分数阶PIλDμ控制器的数字实现方法,包括时域近似法和Z域近似法；然后,研究了目前已有的分数阶PIλDμ控制器参数整定方法,包括极点阶数搜索法、幅值与相位裕量法和优化方法,并实现了遗传算法、粒子群算法和量子粒子群算法三种优化方法,首次将量子粒子群优化算法用于分数阶PIλDμ空制器的参数整定,比较了几种优化算法在分数阶PIλDμ控制器参数整定中的效果,结果表明,量子粒子群算法在分数阶PIλDμ控制器的参数整定中取得了更好的整定结果；同时,论文中针对不同类型被控系统分别设计整数阶PID控制器和分数阶PIλDμ控制器,比较了两种控制器的控制性能,结果表明,针对不同类型被控系统分数阶PIλDμ控制器都具备比整数阶PID控制器更好的控制性能,在小范围内分别改变控制器参数和被控系统参数比较阶跃响应曲线,验证了分数阶PIλDμ控制器具有较强的鲁棒性,同时分别改变分数阶PIλDμ控制器五个控制参数的值,研究各参数变化对控制器控制性能的影响；最后,在理论研究的基础上,本文以高低温试验箱为被控对象进行了实验验证,用时域近似法数字实现了分数阶PIλDμ控制器,在相同的温度设置和实验条件下,分别实现了用整数阶PID控制器和分数阶PIλDμ控制器控制高低温试验箱,通过实验比较了整数阶PID控制器和分数阶PIλDμ控制器在实际应用中的控制效果,验证了分数阶PIλDμ控制器的可用性和优越性,对普及分数阶PIλDμ控制器的实际应用具有较好的现实意义。
【关键词】：分数阶PI~λD~μ控制器 数字实现 参数整定 量子粒子群算法 高低温试验箱
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 选题背景9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.2.1 数字实现10
• 1.2.2 参数整定10-11
• 1.2.3 应用研究11
• 1.3 本文的研究目的和主要工作11-13
• 2 分数阶微积分及分数阶PI~λD~μ制器13-25
• 2.1 分数阶微积分的基本概念13-17
• 2.1.1 分数阶微积分定义13-15
• 2.1.2 分数阶微积分的性质15-16
• 2.1.3 分数阶微积分的Laplace变换16-17
• 2.2 分数阶PI~λD~μ控制器概述17-20
• 2.2.1 整数阶PID控制器17-18
• 2.2.2 分数阶PI~λD~μ控制器18-20
• 2.3 分数阶PI~λD~μ控制器的数字实现20-25
• 2.3.1 时域近似法实现分数阶PI~λD~μ控制器20-21
• 2.3.2 直接近似法实现分数阶PI~λD~μ控制器21-22
• 2.3.3 间接近似法实现分数阶PI~λD~μ控制器22-25
• 3 分数阶PI~λD~μ控制器参数整定25-34
• 3.1 优化方法25-31
• 3.1.1 遗传算法25-26
• 3.1.2 粒子群算法26
• 3.1.3 量子粒子群算法26-31
• 3.2 整定结果比较31-34
• 3.2.1 优化方法整定分数阶PI~λD~μ控制器参数31-32
• 3.2.2 整定结果比较32-34
• 4 分数阶PI~λD~μ制器性能仿真研究34-44
• 4.1 分数阶PI~λD~μ控制器和整数阶PID控制器性能比较34-38
• 4.1.1 惯性系统和积分系统控制器设计34-36
• 4.1.2 高阶系统控制器设计36-37
• 4.1.3 分数阶系统控制器设计37-38
• 4.2 分数阶PI~λD~μ控制器鲁棒性分析38-39
• 4.3 控制器参数对控制性能的影响分析39-44
• 5 分数阶PI~λD~μ控制器的实验验证44-55
• 5.1 实验平台44-47
• 5.1.1 PEC8000控制器44-46
• 5.1.2 Dview软件46
• 5.1.3 Visual C++46-47
• 5.2 建立被控系统模型47-48
• 5.3 控制器的设计48-51
• 5.3.1 仿真中控制器的数字实现48-50
• 5.3.2 控制器的设计50-51
• 5.4 实验对比51-55
• 5.4.1 实验中控制器的数字实现51-53
• 5.4.2 分数阶PI~λD~μ控制器与整数阶PID控制器实验对比53-55
• 6 总结与展望55-57
• 参考文献57-60
• 附录A 分数阶微分方程解析解法60-62
• 附录B 实验数据62-64
• 表1 整数阶PID控制器实验数据62-63
• 表2 分数阶PI~λD~μ控制器实验数据63-64
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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1 张邦楚;基于分数阶微积分的飞航式导弹控制系统设计方法研究[D];南京理工大学;2005年

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本文编号：1121695