基于模糊PID的Smith预估控制器及应用

论文摘要

在实际工业过程控制中,被控对象往往具有大时滞(控制作用需要经过一段时间才会在输出中反映)。因此,标准的反馈控制器对于大时滞系统很难获得很好的控制效果。虽然Smith预估控制器是针对大时滞系统的一种有效控制器,但是常规基于PID的Smith预估控制器存在需要准确的数学模型和干扰抑制能力、鲁棒性弱等缺点。因此,如何提高Smith预估控制器的鲁棒性并从理论上进行分析有着重要的理论价值和实际意义,对于推广其工业应用有着重要意义。在分析了模糊PID控制器和Smith预估控制器的基本特性后,结合模糊PID控制器和Smith预估控制器的优点,将可解析的模糊PID控制器引入Smith预估控制器以提高其鲁棒性。从时滞模型出发,基于李亚普洛夫稳定性理论,结合滑模控制的特点,在时域和复数域中从理论上分析了基于模糊PID的Smith预估控制器的稳定性。仿真实例中,分别针对一阶惯性时滞模型、二阶惯性时滞模型、二阶积分时滞模型和高阶模型进行了仿真。仿真结果进一步证明了基于模糊PID的Smith预估控制器鲁棒性的优越性。参数整定也是基于模糊PID的Smith预估控制器应用中的一个重要环节。采用传统PID控制器的内模参数整定方法进行了Smith预估控制器的参数整定。在把Smith预估控制器等效为内模控制器后,按内模参数整定方法得到Smith预估控制器中主控制器,即模糊PID控制器的三个参数。随后的仿真结果证明了该方法的有效性。实验方面,在已有的以TI公司的F2812DSP为核心的实验平台上,采用运算放大器搭建实际被控对象,利用CCS软件(DSP调试工具)和MATLAB软件联合调试的方式进行了基于模糊PID的Smith预估控制器实验和参数整定实验,实验数据和结果也再次表明了基于模糊PID的Smith预估控制器的鲁棒性和参数整定方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 时滞系统及其控制
• 1.2.1 时滞系统
• 1.2.2 Smith预估控制器及其发展
• 1.3 传统PID控制器及其模糊PID控制器的发展
• 1.3.1 传统PID控制器及其发展
• 1.3.2 模糊PID控制器及其发展
• 1.4 本文主要任务及结构安排
• 1.4.1 本文主要任务
• 1.4.2 本文结构安排
• 第二章 模糊PID控制器及其Smith预估控制器
• 2.1 引言
• 2.2 模糊PID控制器及其模型
• 2.2.1 模糊PID控制器结构原理
• 2.2.2 模糊PID控制器的PID控制特性
• 2.2.3 模糊PID控制器的滑模特性
• 2.3 Smith预估控制器
• 2.3.1 Smith预估控制器的控制性能
• 2.3.2 改进型Smith预估控制器
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于模糊PID的Smith预估控制器的稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于一阶惯性滞后模型的稳定性分析
• 3.2.1 被控对象模型分析
• 3.2.2 稳定性分析
• 3.3 基于二阶惯性滞后模型的稳定性分析
• 3.3.1 被控对象模型分析
• 3.3.2 稳定性分析
• 3.4 基于二阶积分滞后模型的稳定性分析
• 3.4.1 被控对象模型分析
• 3.4.2 稳定性分析
• 3.5 仿真分析
• 3.5.1 一阶惯性时滞模型
• 3.5.2 二阶惯性时滞模型
• 3.5.3 二阶积分时滞模型
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于模糊PID的Smith预估控制器参数整定
• 4.1 引言
• 4.2 内模控制原理
• 4.2.1 内模控制原理及结构
• 4.2.2 内模控制的主要特性
• 4.2.3 内模控制的设计方法
• 4.3 参数整定
• 4.3.1 Smith预估控制器的内模等效结构及其分析
• 4.3.2 基于一阶惯性时滞模型的参数整定
• 4.3.3 基于二阶惯性时滞模型的参数整定
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于模糊PID的Smith预估控制器实验
• 5.1 引言
• 5.2 基于DSP的Smith预估控制器控制系统
• 5.2.1 DSP及TMS320F2812简介
• 5.2.2 控制系统硬件
• 5.2.3 控制系统软件
• 5.3 实验及其分析
• 5.3.1 Smith预估控制器控制实验
• 5.3.2 模糊PID控制器参数整定实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录