基于干擾觀測器的PID控制

1、PID控制器設(shè)計(jì)課程論文題目：基于干擾觀測器的PID控制學(xué)院:電子工程學(xué)院專業(yè)：2009級(jí)應(yīng)用電子學(xué)號(hào):200912701149姓名:黃婧宇i目錄內(nèi)容摘要 3關(guān)鍵字 31 緒論 42 干擾觀測器的設(shè)計(jì) 42.1 干擾觀測器的基本原理 42.2 干擾觀測器的性能分析 52.3 干擾觀測器的穩(wěn)定特性 62.4 干擾觀測器的設(shè)計(jì) 72.5干擾觀測器的仿真結(jié)果及 MATLAB?序82.5.1 連續(xù)系統(tǒng)的控制仿真 82.5.2 離散系統(tǒng)的控制仿真 113 結(jié)論 17參考文獻(xiàn)18Abstract181918KEY WORDS基于干擾觀測器的 PID 控制專業(yè)：電子信息工程（應(yīng)用電子技術(shù)方向）學(xué)號(hào)： 200

2、912701149學(xué)生姓名：黃婧宇 指導(dǎo)老師姓名：殷嚴(yán)剛【內(nèi)容摘要 】在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，外部干擾會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì) 下降，我們應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種控制結(jié)構(gòu)， 將外部干擾進(jìn)行有效地抑制。 如果我們采用 一種結(jié)構(gòu)，將外部干擾以及模型參數(shù)的變化造成的實(shí)際對象與名義模型輸出的差 異等效到控制的輸入端， 就能夠?qū)崿F(xiàn)對外部干擾的抑制。 我們可以采用一種結(jié)構(gòu) 觀測出了外部干擾在輸入端的等效干擾， 并在系統(tǒng)中引入等效的補(bǔ)償， 因而我們 把基本這種思想設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)稱為干擾觀測器?！娟P(guān)鍵字 】干擾觀測器；模型參數(shù)；等效干擾1緒論P(yáng)ID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，但應(yīng)用常規(guī)PID控制器對于非線性、時(shí)變不確定

3、性的系統(tǒng)，無法達(dá)到理想的控制效果。隨著現(xiàn)代控制理論，諸如 智能控制等技術(shù)的研究發(fā)展、出現(xiàn)了許多新型的PID控制器，為解決復(fù)雜無規(guī)則 系統(tǒng)的控制開辟；餓新途徑。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其 算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于建立 精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)1 o2干擾觀測器的設(shè)計(jì)2.1干擾觀測器的基本原理干擾觀測器的基本思想是將外部力矩干擾及模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對象 與名義模型輸出的差異等效到控制輸入端，即觀測出等效干擾。在控制中引入等 效的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對干擾完全抑制。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1干擾觀測器的基本結(jié)構(gòu)圖中G (s)為對象的傳遞函數(shù)

4、，d為等效干擾，(?為觀測到的干擾，u為控制器輸出，e為u和(?的誤差函數(shù)。由此有c? = (e+d) *G(s) g 4 (s)-e=d對于實(shí)際的物理系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)存在如下問題：(1) 在通常情況下，Gp(s)的相對階不為0,其逆在物理上 不可實(shí)現(xiàn)；(2) 對象Gp(s)的精確數(shù)學(xué)模型無法得到；(3) 考慮到測量噪聲的影響，該方法的控制性能將下降。解決上述問題的唯一方法是在3的后面串入低通濾波器Q(s)，并用名義 模型Gn(s)的逆G：(s)來代替Gp(s)，從而得到如圖2所示的干擾觀測器原圖2干擾觀測器原理框圖控制器的輸出為：u=c- d f +d式中，c為PID控制器的輸出，df為干擾d的

5、估計(jì)值2.2干擾觀測器的性能分析G 二yes) _易何 (巧CYU c( = q+Q(耳一乞)GjQGpa-)gny(5)=s?=S凹普)&仏)缸石(門-厲)設(shè)低通濾波器Q(s)的頻帶為fq o(1 ) 當(dāng) f-fa 時(shí)，Q = 1 Gcy - Gn (s), G DY :m, Gny(2)當(dāng) f 一 fq 時(shí)，Q=0,Gcy ： Gp(s), Gdy (s)= Gp(s), Gny(s) ： 0.由上面分析可見，Q(s)的設(shè)計(jì)是干擾觀測器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。Q(s)的性能決定整個(gè)干擾觀測器的動(dòng)態(tài)性能。從理論上分析，Q(s)的，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。觀測器的響應(yīng)速度就越快，干擾的抑制效果就越

6、好，則系統(tǒng)對干擾的 靈敏度低，但隨著階數(shù)的增高，大的相位滯后會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼現(xiàn)象以上分析可 知，如何使干擾觀色器獲得好的動(dòng)態(tài)性能和高的穩(wěn)定性是Q(s)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，首先，為使 Q(s)G；(s)正則，Q(s)的相對階應(yīng)不小于Gn(s)的相對階； 其次，Q(s)帶寬的設(shè)計(jì)應(yīng)是在干擾觀測器的魯棒穩(wěn)定性和干擾受抑制能力之間的 折中。2.3干擾觀測器的穩(wěn)定特性設(shè)Gp(s)的名義模型為Gn(s),則不確定對象的集合可以用乘機(jī)攝動(dòng)來描述,即：Gp(s)= Gn(s) ( 1+ (s)式中，厶(s)為可變的傳遞函數(shù)。20Bode Dtag ramo o o o o -2v-6-B( mE 長 null?

7、w1O210Frequency frad/sec)圖3 Gp(s)與Gn(s)頻率特性圖如圖3為轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)某框的實(shí)測頻率特性 Gp(s)與名義模型Gn(s)頻率特性,可見，當(dāng)頻率增大時(shí)，對象的不確定性增大，(jw)表現(xiàn)為頻率w的增函數(shù)。由魯棒穩(wěn)定性定理，干擾觀測器Q(s)魯棒穩(wěn)定的充分條件是(s)Q(s) =110 % Restricting the output of controlleru(k)=110;endif u(k)=-110u(k)=-110;enduu_1=uu(k);u2_1=u2(k);uo_3=uo_2;uo_2=uo_1;uo_1=uo(k);u3_3=u3_2;u3

8、_2=u3_1;u3_1=u3(k);u_2=u_1;u_1=u(k);y_2=y_1;y_1=yout(k);error_1=error(k);endfigure(1);subplot(211);plot(time,u3,k);xlabel(time(s);ylabel(u3);subplot(212);plot(time,uo,k);xlabel(time(s);ylabel(uo);figure (2);plot(time,d,k,time,uo,k); xlabel(time(s);ylabel(d,uo); figure (3);plot(time,ri n, k,time,yout

9、,k); xlabel(time(s);ylabel(ri n, yout);圖9低通濾波器濾波前，后信號(hào)從仿真曲線中可以發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)的 PID控制時(shí)，在跟蹤期望信號(hào)過程中， 由強(qiáng)烈的極限環(huán)振蕩不能很好的跟蹤期望信號(hào)；采用PID控制器與干擾觀測器的組合控制在跟蹤期望信號(hào)過程中，干擾觀測器對系統(tǒng)干擾和測量噪聲具有較好的 抑制作用，系統(tǒng)的極限振蕩現(xiàn)象消失、且能較好地跟蹤期望信號(hào)。圖10干擾d及其干擾觀測器的觀察結(jié)果df圖11加入干擾觀測器時(shí)的正弦跟蹤（M=23結(jié)論根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示，PID干擾信號(hào)觀測器的靈敏度較好，對實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)都 大有好處，根據(jù)不同參數(shù)的調(diào)試，干擾觀測器都不同頻段的靈敏度不同，

10、因此要 根據(jù)具體的情況作具體的分析，避免不必要的影響。基于干擾觀測器的PID控制 設(shè)計(jì)簡單，被控參數(shù)變化時(shí)，具有良好的魯棒性，響應(yīng)時(shí)間較快，具有較好的工 業(yè)生產(chǎn)前景。參考文獻(xiàn)：1 陶勇華新型PID控制及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006-7.2 舒懷林.PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其控制系統(tǒng).北京：國防工業(yè)出版社.2006-2.3 劉金坤.先進(jìn)PID控制及其MATLA仿真.北京：電子工業(yè)出版社.2003-1.Based on the in terfere nee of the observer PID con trolAuthor: Huang Jingyu【Abstract 】In an actua

11、l control system, the external interfereneewillcause the whole system control the quality descend, we should design a kind of control structure.f we use a kind of structure, the external interfereneeand model parameters caused by changes in the actual objectand the n ame of the model output equivale nt to the con trol of the differe nces betwee n in put, can realize the in hibiti on of outside in terfere nee. We can use a structure observati on out of the exter nal in terfere nce in the in put termi nal of the equivale nt in terfere nee, and in the system by in troduc ing the