一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模 補(bǔ)償控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，具有時(shí)滯特性的過程是普遍存在的，且時(shí)滯對象的控制較為 困難，尤其在煉金、航天、制造等復(fù)雜多變的工業(yè)過程中，對大時(shí)滯對象的處理一直W來都 是難題。而在此類工業(yè)領(lǐng)域中，各類液位控制系統(tǒng)普遍存在，實(shí)際的液位控制過程中往往存 在大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)，為滿足復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求，人們設(shè)計(jì)了諸多先進(jìn)的控制方案和 智能控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控 制系統(tǒng)，具有模型結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于模型參考自適應(yīng)的新 型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，包括被控對象，所述被控對象兩端并聯(lián)有參考模型；所述參考模型的 輸出和被控對象的輸出之差通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)調(diào)整可調(diào)控制器的可調(diào)增益；所述可調(diào)控制 器的可調(diào)增益用于改變參考模型的輸出，使得參考模型的輸出和被控對象的輸出之差趨于 零。
[0005] 所述內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)的開環(huán)廣義誤差方程為：P值)e(t) = (Km-KcKp)q值)r(t)， 其中，pO)表示模型函數(shù)分子傳函的微分形式、e(t)表示所述參考模型的輸出和被控對象 的輸出的廣義誤差、Km表示參考模型增益、K。表示可調(diào)增益、KP表示被控對象增益，q值）表 示模型函數(shù)分母傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸入。
[0006]所述參考模型方程為：p〇))yma) =Kmq〇))r(t)，其中，口值）表示模型函數(shù)分子傳 函的微分形式、ym(t)所述參考模型的輸出、Km表示參考模型增益、qO)表示模型函數(shù)分母 傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸入。
[0007] 所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整規(guī)律為：氏二/Ae(t)y(m)，其中，Kc表示可調(diào)增益，A表示 可調(diào)參數(shù)、e(t)表示所述參考模型的輸出和被控對象的輸出的廣義誤差、y(m)表示所述參 考模型的輸出。
[0008] 所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)積分器和乘法器構(gòu)成。
[0009] 有益效果
[0010] 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果：本發(fā)明具有模型結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。通過理論研究 W及在Matl油的Simulink工具箱中進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明對含有時(shí)滯特性被控對象的控 制效果更佳。通過Simulink仿真表明，本發(fā)明可W實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線整定，加快了系統(tǒng)的響 應(yīng)速度、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間、減少了超調(diào)量，同時(shí)又有很好的控制品質(zhì)和魯棒性，具有較高的研 究價(jià)值。
【附圖說明】
[0011] 圖1是模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)方框圖；
[0012] 圖2是模型參考自適應(yīng)局部結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖3是模型參考自適應(yīng)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)圖；
[0014] 圖4是M口參考自適應(yīng)內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，運(yùn)些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可W對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，運(yùn)些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0016] 本發(fā)明的實(shí)施方式設(shè)及一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，如圖 1所示，包括被控對象，所述被控對象兩端并聯(lián)有參考模型；所述參考模型的輸出和被控對 象的輸出之差通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)調(diào)整可調(diào)控制器的可調(diào)增益；所述可調(diào)控制器的可調(diào)增益用 于改變參考模型的輸出，使得參考模型的輸出和被控對象的輸出之差趨于零。由此可見，模 型參考自適應(yīng)是一種在線整定參考模型和實(shí)際被控模型輸出之差，來不斷跟蹤輔助系統(tǒng)的 方法。
[0017] 本實(shí)施方式所采用的參考自適應(yīng)系統(tǒng)是通過改變系統(tǒng)可調(diào)增益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與 模型輸出偏差趨于零，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
[0018] 美國麻省理工學(xué)院最早采取局部最優(yōu)法設(shè)計(jì)出首個(gè)自適應(yīng)律，簡稱為MIT自適 應(yīng)。其模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖3所示。在該系統(tǒng)中，參考模型增益Km為常數(shù)，實(shí)際 被控對象增益Kp在外界情況改變下可能會(huì)隨著發(fā)生改變。
[0019] 為降低由被控對象增益Kp變化帶來的不利因素，在系統(tǒng)中增加可調(diào)增益K。來補(bǔ)償 被控對象增益Kp的變化，故需選取合適的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來調(diào)整可調(diào)增益K。，使得參考模型增 値Km二Ke?Kp即可。
[0020] 將實(shí)際被控對象與參考模型的差值視為可調(diào)增益K。的差值來處理，其輸出廣義誤 差為e=yp-ym，其中，yp為被控對象輸出，ym為參考模型輸出。為使其最快減小到理想范圍 之內(nèi)，運(yùn)用局部最優(yōu)法制定性能指標(biāo)，選取性能指標(biāo)泛函為：
[0021]
〇》 陽02引其中，T代表時(shí)間的微分。
[0023] 要通過調(diào)節(jié)可調(diào)增益K。使得性能指標(biāo)最小，故采用梯度法尋優(yōu)。首先求出J對可 調(diào)增益K。的梯度。
[0024]
(2)
[0025] 由梯度法可知，可調(diào)增益K。應(yīng)沿梯度下降的方向，故可調(diào)增益K。取值為： 目
.3；
[0027] 其中，r代表比例參數(shù)。
[00測再將式做對時(shí)間參數(shù)求導(dǎo)，則有：
[0029]
(4)
[0030] 現(xiàn)系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)為：
[0031]
(5)
[0032] 上式滿足的微分方程為： 陽 03引 P做e(t) = (Km-KcKp)q值)r(t) 化）
[0034] 對式（6)兩邊求導(dǎo)可得： W對
巧）
[0036] 而參考模型的輸出滿足： 陽037] p(D)y"(t) =K"q(D)r(t) (8) 陽03引 由式（7)和式做兩式可得： 齡39]
(9) W40] 將式（9)代入式（4)可得：
[0041]
(10)
[0042] 上式中K?？烧{(diào)增益，其中A為可調(diào)參數(shù)，當(dāng)比例參數(shù)r、參考模型增益Kp、控對象增 益Km固定時(shí)，A僅為一個(gè)常量，而可調(diào)增益Kt(t)將根據(jù)廣義誤差e(t)的變化而產(chǎn)生整定 作用，使廣義誤差e(t)沿著負(fù)梯度方向逐漸減小至零。可W看出，此種自適應(yīng)機(jī)構(gòu)可由積 分器與乘法器構(gòu)成。
[0043] M口參考自適應(yīng)內(nèi)模補(bǔ)償控制是將M口控制結(jié)合基本內(nèi)?？刂圃?，利用參考輸 出與實(shí)際輸出的廣義誤差e作為優(yōu)化參數(shù)，通過乘法器與積分器構(gòu)造自適應(yīng)律，具體系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0044] 綜合來看，結(jié)合基本內(nèi)?？刂频腗IT控制模型可由W下方程來描述：
[0045] 開環(huán)廣義誤差方程為：p值)e(t)=化m-KcKp)q值)r(t) (11)
[0046] 其中，pO)表示模型函數(shù)分子傳函的微分形式、e(t)表示所述參考模型的輸出和 被控對象的輸出的廣義誤差，qO)表示模型函數(shù)分母傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸 入。
[0047] 參考模型方程為：pWymW=Kmq〇))r(t) (12)
[0048] 其中，PO)表示模型函數(shù)分子傳函的微分形式、ym(t)表示所述參考模型的輸出、 qO)表示模型函數(shù)分母傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸入。 W例所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整規(guī)律為：氏二/Ae(t)y(m) (1如
[0050]其中，K。表示可調(diào)增益，A表示可調(diào)參數(shù)、e(t)表示所述參考模型的輸出和被控對 象的輸出的廣義誤差、y(m)表示所述參考模型的輸出。
[0051]從前面自適應(yīng)律推導(dǎo)來看，在尋求自適應(yīng)規(guī)律的過程中，并沒有考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定 性的問題。因此，對于此系統(tǒng)來說，為確保廣義誤差e(t)在自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程中能夠逐漸收 斂到某一個(gè)固定值，還必須不斷進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，包括被控對象，其特征在于，所 述被控對象兩端并聯(lián)有參考模型；所述參考模型的輸出和被控對象的輸出之差通過自適應(yīng) 機(jī)構(gòu)調(diào)整可調(diào)控制器的可調(diào)增益；所述可調(diào)控制器的可調(diào)增益用于改變參考模型的輸出， 使得參考模型的輸出和被控對象的輸出之差趨于零。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)的開環(huán)廣義誤差方程為：P(D)e(t) = (Km-KjgqQka)，其中， P(D)表不模型函數(shù)分子傳函的微分形式、e(t)表不所述參考模型的輸出和被控對象的輸 出的廣義誤差、Kni表示參考模型增益、K。表示可調(diào)增益、Kp表示被控對象增益，q(D)表示模 型函數(shù)分母傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸入。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其特征在 于，其特征在于，所述參考模型方程為：P(D)yni(t) =Kniq(D)r(t)，其中，P(D)表示模型函數(shù) 分子傳函的微分形式、ym(t)表不所述參考模型的輸出、1^表不參考模型增益、q(D)表不模 型函數(shù)分母傳函的微分形式、r(t)表示系統(tǒng)輸入。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整規(guī)律為：K。=JAe(t)y(m)，其中，K。表示可調(diào)增益，A表示可調(diào) 參數(shù)、e(t)表不所述參考模型的輸出和被控對象的輸出的廣義誤差、y(m)表不所述參考模 型的輸出。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)由積分器和乘法器構(gòu)成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于模型參考自適應(yīng)的新型內(nèi)模補(bǔ)償控制系統(tǒng)，包括被控對象，所述被控對象兩端并聯(lián)有參考模型；所述參考模型的輸出和被控對象的輸出之差通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)調(diào)整可調(diào)控制器的可調(diào)增益；所述可調(diào)控制器的可調(diào)增益用于改變參考模型的輸出，使得參考模型的輸出和被控對象的輸出之差趨于零。本發(fā)明具有模型結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105182756
【申請?zhí)枴緾N201510690469
【發(fā)明人】周武能, 周琳
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年10月22日