不稳定系统分数阶控制器设计方法与应用研究

发布时间：2020-12-26 03:12

　　针对不稳定系统的控制问题,通常采用传统PID控制算法。虽然传统PID控制器可以镇定不稳定被控对象,但是由于复平面右半部分极点的存在,补偿后系统的动态响应特性并不理想。因此,本文引入了分数阶PID控制算法,分数阶PID控制器是传统整数阶PID(IOPID)控制器微积分算子的阶次向分数的推广,能够更灵活的控制被控对象,可以取得比IOPID控制器更好的动态响应特性。针对分数阶PD~μ(FOPD)控制器,本文采用基于Bode理想传递函数作为目标函数的方法进行控制器参数整定,在截止频率ω_c处匹配开环传递函数与Bode理想传递函数的幅值、相角以及Nyquist曲线的斜率,可以求解分数阶控制器的3个参数。针对分数阶PI~λD~μ(FOPID)控制器,本文根据Bode理想传递函数的相角不随频率变化而改变的特点,在非截止频率处增加了两个相角条件,提出了针对不稳定系统的FOPID控制器参数整定方法。不稳定系统可以抽象为重心在上、支点在下一类系统的集合,而倒立摆系统是这类系统的典型模型,也是专家学者们验证不稳定系统控制方法的理想被控对象。本文主要将提出的针对不稳定系统的分数阶控制器设计方法,应用到直线一级... 

【文章来源】：长春理工大学吉林省

【文章页数】：57 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

倒立摆模型来源-火箭发射助推器

μ 两个可调参数[2]，对参数的变化不敏感，大量文献表明，在稳态性能和动态性方面分数阶控制器均具有整数阶 PID 控制器不可比拟的优势[3-5]。对于不稳定系统的控制研究广泛的存在于社会生产生活中，如导弹拦截的精确制、卫星飞行的姿态控制、海上钻井平台的平衡控制、双足机器人行走控制等，但由于一般的不稳定系统造价昂贵和自身的不确定性，直接将控制方法应用在不稳定统上进行实验，可能会对设备或者人身安全造成一定的伤害，所以科学家们考虑寻一种不稳定系统的简化模型，既能验证控制理论，又能将成本和不确定性降到最小倒立摆系统应运而生。20 世纪 60 年代，美国麻省理工学院的控制理论专家根据火发射助推器(如图 1.1 所示)的原理设计出了直线一级倒立摆设备[6]，是倒立摆模型源，随后科研人员根据双足机器人行走控制问题又研制出了二级倒立摆甚至三级、级倒立摆[7]。由于倒立摆系统具有不稳定、高阶次、非线性、多变量等特点，已经为专家学者们验证不稳定系统控制方法的理想平台[8]。目前国内高校用作实验平台用较多的是深圳固高公司和加拿大 Quanser 公司生产的倒立摆系统。本文在针对高不稳定系统进行控制器设计时，采用的被控对象是 Quasner 公司的单级旋转倒立摆如图 1.2 所示。

( )0[ ( ); ] ( )C ntL D f t s s G sα α= 示为：1( 1)0( ) ( ) (0)nn k n kkG s s F s s f == 下微分拉氏变换为：11 ( )00[ ( )] ( ) (0)nC k ktkL D f t s F s s fα α α == n。制器简介 PID 控制器(IOPID)是分数阶λ μPI D 控制器(FOPI 时的特例，两种控制器的参数分布示意图表示如μ =1μμ =1μ =2μλ μPI D


本文编号：2938920