自抗扰控制器在温控系统中的实用化研究及应用

论文摘要

经过数十年的发展,PID控制算法因结构简单、鲁棒性好、可靠性高,成为最广泛、最通用的控制策略之一。然而,实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等因素,应用经典线性PID控制器难以达到满意的控制效果,而自抗扰控制器（ADRC）对工业中非线性对象具有更高的控制性能,但是因为参数调节理论的不完善,影响其实际应用。本文在此背景下,针对非线性PID控制、自抗扰控制以及Smith预估器和前馈控制展开研究。为了提高控制器的稳定性和鲁棒性,设计了ADRC-Smith预估控制器和前馈ADRC控制器,将其应用于大时滞温度控制系统,并在此基础上设计了吹塑机控制系统解决方案,通过大量的理论研究、仿真和实验,实现了良好的控制效果。论文的主要工作有:1.研究了自抗扰技术和温度控制的现状以及温度控制的特点。2.研究了ADRC的发展史,深入了解ADRC的原理与优点。ADRC在控制非线性对象时比PID具有更好的控制性能,但是参数调节理论不完善,阻碍了其广泛应用。3.通过MATLAB仿真,得到ADRC参数之间的内在规律,通过将ADRC的参数统一到一个时间因子上,达到简化调节参数个数的目的,从而降低调试难度,同时,在无时滞温控实验平台上进行实验,验证了参数调节规律的可行性。4.自抗扰控制器在大时滞温控上的应用,以前文献一般将时滞环节等效成一阶惯性环节,这样就要求增加ADRC的阶次,增加了调节参数个数,在参数调节理论不完善的情况下无疑是增加了调试难度。本文将ADRC分别与Smith预估器和前馈控制器相结合,设计了ADRC-Smith预估控制器和前馈ADRC控制器来解决具有大时滞控制问题。这两类新控制器的优点是不增加ADRC的阶次,是解决不确定大时滞被控对象的新途径,也是ADRC控制器实际应用上的一次创新。5.在可编程计算机控制器（PCC）搭建的大时滞温控实验平台上进行实验,将前馈ADRC控制器和贝加莱专用温度控制器PIDXH的控制效果进行比较,实验结果表明前馈ADRC控制器在稳定性、鲁棒性等方面都优于PIDXH控制器。6.研究了吹塑机控制系统解决方案,并在吹塑机上实验前馈ADRC控制器,得到了良好的控制效果,进一步验证了算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 自抗扰控制技术的发展
• 1.2 自抗扰控制技术的现状
• 1.3 温控的发展现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 自抗扰控制技术
• 2.1 非线性PID控制器
• 2.1.1 跟踪微分器
• 2.1.2 非线性组合
• 2.2 自抗扰控制器
• 2.2.1 反馈线性化
• 2.2.2 扩张状态观测器
• 2.2.3 自抗扰控制器结构
• 2.3 本章小结
• 第三章 ADRC-SMITH预估控制器和前馈ADRC控制器设计
• 3.1 温控系统模型
• 3.2 ADRC-Smith预估控制器
• 3.2.1 Smith预估器原理
• 3.2.2 ADRC-Smith预估控制器原理
• 3.2.3 MATLAB仿真分析
• 3.3 前馈ADRC控制器
• 3.4 参数整定规律
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 无时滞温控实验
• 3.5.2 大时滞温控实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 前馈ADRC控制器在挤出吹塑机中的应用
• 4.1 贝加莱控制系统简介
• 4.1.1 PCC硬件系统
• 4.1.2 PCC软件系统
• 4.1.3 贝加莱温控专用模块PIDXH
• 4.2 挤出吹塑机工艺
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 挤出吹塑机原理及组成
• 4.3 贝加莱两层双工位挤吹机控制系统解决方案
• 4.3.1 硬件配置
• 4.3.2 软件实现
• 4.4 前馈ADRC控制器调试结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表（录用）论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表