一种改进型的Smith预估控制器的制造方法
【专利说明】一种改进型的Smith预估控制器 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种智能控制算法，尤其涉及一种在常规Smith预估器的基础上进行 改进的控制算法。
【背景技术】
[0002] 目前大多数的数控设备的控制系统采用的都是PID控制器，PID控制器设计简单， 操作方便，便于实现，基本满足大多数控制系统的需要。但是，如果系统存在较大的时间滞 后。包含滞后的控制系统通常存在较大的超调量，并且调节时间过长，当存在外界因素干扰 时，常规的PID控制器基本无法立刻产生抑制作用。Smith预估控制是最早提出专门针对滞 后系统的一种控制方案，它通过预先估计系统的动态特性并进行补偿，减少超调量和加速 调节过程。1974年，史密斯提出一种预估控制器，即Smith预估控制器。Smith预估控制器 在PID反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，使闭环特征方程不含纯滞后项。该方法的 基本原理是通过预估对象的动态特性，用一个预估模型来进行时间滞后的补偿，补偿器与 被控对象共同构成一个没有时间滞后的广义被控对象。从而由PID控制器与Smith预估器 相结合的常规PID-Smith控制器得到广泛的运用。但是PID控制器和Smith预估器都是基 于精确数学模型而设计的，对模型参数变化适应能力差，而实际生产过程中工况变化复杂， 很难获得精确的数学模型，导致PID-Smith控制器依然难以取得令人满意的控制效果。目 前大多数的研宄都是围绕着PID控制器和Smith预估器的优化展开的。在PID控制器的优 化研宄方面，很多研宄都是把PID控制器与模糊控制理论或者是神经网络相结合起来，因 此各种模糊PID复合控制器，模糊自适应PID控制器，神经PID控制器不断浮现。目前使用 比较多的是模糊自适应PID控制和神经PID控制器这两大类。Smith预估器的改进也在不 断发展着，目前使用较多的是内膜控制与Smith预估器相结合的预估器和自适应控制器的 引入，比如：增益自适应预估器。各种新技术的结合和引入，促进了控制技术的发展。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种改进型的Smith预估控制器。针对在缺乏精确数学模型 且参数时变的大滞后系统中，基于PID控制器的Smith预估器稳定性差和超调量大的问题， 提出一种改进型模糊自适应PID-Smith预估控制器。该方案在常规PID-Smith预估器的基 础上，用模糊自适应PID控制器代替传统的PID控制器，并引入了一个内反馈环和一个自适 应调节器，进而确保了系统状态的稳定性，增强了控制器对时变环境的自适应能力。该控 制器削弱了控制器对模型参数变化敏感带来的负面影响，减少了系统的超调量，在模型参 数变化百分之四十内，控制器仍然能取得较好的控制效果。
[0004] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 改进型Smith预估控制算法，包括以下步骤：
[0006] (1)设计模糊自适应PID控制器取代原有的PID控制器，其主要是由PID控制调节 器和模糊推理机两部分构成，以误差e以及误差的变化率ec作为控制器的输入，以PID控 制参数的kp、ki、kd作为输出，利用模糊控制规则对PID的控制参数进行实时修改，满足不同 时刻的e以及ec对PID参数自整定的要求。
[0007] (2)在常规Smith预估器被控系统模型的大时滞环节前加入了一个内反馈环，通 过内反馈环将反馈信号同时送到预估模型和实际被控对象的输入端并与主控制的输出进 行作差，然后将差值作为实际被控对象和预估模型的输入信号，同时引入了一个自适应调 节器，通过不断地改变比例控制器的值，来解决因开环增益参数变化引起的偏差问题。
[0008] (3)算法所述的改进型Smith预估控制器的传递函数为：
【主权项】
1. 一种改进型的Smith预估控制算法，包括以下步骤： (1) 设计模糊自适应PID控制器取代原有的PID控制器，其主要是由PID控制调节器和 模糊推理机两部分构成，以误差e以及误差的变化率ec作为控制器的输入，以PID控制参 数的kp、ki、kd作为输出，利用模糊控制规则对PID的控制参数进行实时修改，满足不同时刻 的e以及ec对PID参数自整定的要求。 (2) 在常规Smith预估器被控系统模型的大时滞环节前加入了一个内反馈环，通过内 反馈环将反馈信号同时送到预估模型和实际被控对象的输入端并与主控制的输出进行作 差，然后将差值作为实际被控对象和预估模型的输入信号，同时引入了一个自适应调节器， 通过不断地改变比例控制器的值，来解决因开环增益参数变化引起的偏差问题。 (3) 算法所述的改进型Smith预估控制器的传递函数为：
，当模型参数精确时，即 Gm(s) =Gc(s)，Lm=L时，得出闭环系统的传递函数为：
，其 特征方程为：l+Ge(s)Gp(s) = 0,从特征方程可以看出经Smith补偿后，闭环系统的特征方 程式中不再含有纯滞后项，说明纯滞后项被消除了，只是它的输出滞后了一个L的时间； 当实际被控对象与预估模型有误差时，特征方程为：1+Gc；( s) [Gm(s)+Gp(s)exp(- Ls)-Gni(s) eXp(-LmS)]，实际被控对象和预估模型的误差越大，即Gp(s)与Gm(s)以及L与Lm相差越大， 补偿效果就越差。
2. 根据权利要求1所述的改进型的Smith预估控制算法，改进方案在常规PID-Smith 预估器的基础上，用模糊自适应PID控制器代替传统的PID控制器，并引入了一个内反馈环 和一个自适应调节器，进而确保了系统状态的稳定性，增强了控制器对时变环境的自适应 能力，即使在模型失配百分之四十时，依然能很好地解决大滞后系统中超调量大的问题，具 有良好的稳定性和鲁棒性。
【专利摘要】改进型Smith预估控制算法包括以下步骤：设计模糊自适应PID控制器取代原有的PID控制器，其主要是由PID控制调节器和模糊推理机两部分构成，以误差e以及误差的变化率ec作为控制器的输入，以PID控制参数的kp、ki、kd作为输出，利用模糊控制规则对PID的控制参数进行实时修改，满足不同时刻的e以及ec对PID参数自整定的要求。加入了一个内反馈环，通过内反馈环将反馈信号同时送到预估模型和实际被控对象的输入端并与主控制的输出进行作差，然后将差值作为实际被控对象和预估模型的输入信号，同时引入了一个自适应调节器，通过不断地改变比例控制器的值，来解决因开环增益参数变化引起的偏差问题。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104570729
【申请号】CN201410680754
【发明人】任洪娥, 曹学海, 郭继峰
【申请人】东北林业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年11月24日