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1、2 0 0 5 中国控制与决策学术年会论文集P r o c e e d i n g so f2 0 0 5C h i n e s eC o n t r o la n dD e c i s i o nC o n f e r e n c e4 3 3有控制限幅的模型参考自适应内模控制仿真研究李成鑫，汪颖，赵曜( 四川大学电气信息学院，四川成都6 1 0 0 6 5 )摘要：针对存在纯滞后、参数时变且控制量受限的系统的控制问题，提出了一种有控制限幡的模型参考模糊自适应内模控制方法，并呆用摸型参考自适应控制的思想，将模糊控制方法和内槿控制方法结合在一起仿真结果证明了该方法的有撤性差键词：控制限幅 内模
2、控制 模糊控制；模型参考自适应控制O nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o lw i t hc o n t r o li n p u tl i m i t a t i o nL IC h e n g x i n ，W A N GY i n g ，Z I t A OY a o( C o l l e g eo fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n ga n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y
3、，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a C o r r e s p o n d e n t ：L IC h e n g x i n ，E m a i l ：l c x 3 6 1 2 6 c o m )A b s t r a c t ：M o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ef u z z yI M Cw i t hc o n t r o li n p u tl i m i t a t i o n sm e t h o di sp r o p o s
4、e d A i m i n ga tc o n t r o lp r o b l e m sw i t hl a r g et i m ed e l a y p a r a m e t e r sc h a n g e sa n dc o n t r o li n p u tl i m i t a t i o n B a s e do nt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ，t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o di sc o m b i n e dw i t ht h eI
5、 M Cm e t h o d T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t l v e n e s so ft h em e t h o d K e yw o r d s ：c o n t r o li n p u tl i m i t a t i o n ； M C f u z z yc o n t r o l m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l1g l言2 0 世纪8 0 年代初，G a r e i a 1 3 等提出了内模控制方法，其控制
6、器一般按相消法、有限拍法和预测控制法进行设计o 3 ，其中相消法较为普遍在控制器设计方面，文献 4 在内模控制结构的基础上，充分考虑对象模型非最小相位部分的影响，设计了基于H 。最优的控制器E s q 给反馈滤波器增加一个变增益环节，根据系统误差及其变化率在线模糨修正反馈滤波参数，并根据系统误差的大小和模型误差的正负，在线自动调整变增益 6 采用内模控制器作调节器模糊逻辑作自适应机构，提出了一种模型参考自适应内模控制方法在实际应用中控制量往往受限，如果直接应用以上方法设计控制器，相当于在系统中引入了非线性环节，性能将受到影响在这方面很多人做了研究，如利用柔化滤波器来限制控翩量幅值、延长调节时间
7、使控制量最小化等，但系统响应的快速性必然受到影响文献E 7 l 提出了一种限幅状态与内模控制相互切换的方法。系统响应未进人设定值的误差带时取限幅值，进入设定值的误差带后切换到内模控制器，但园其切换只取决于系统响应的当前状态，所以对误差带的选取比较敏感，容易出现超调而文献E 8 3 根据系统响应是否在误差带范围内及其下一拍的预测输出是否超过该误差带，来共同确定控制量在限幅值与内模控制器输出值之间进行在线智能切换但因其只有一步预测，如果对象有较大滞后或者非线性时，预测将不准确，响应的快速性和平稳性也很难兼顾本文用准确的模型预测来代替文献 8 3 的简单一步预测，同时根据输出的当前状态和预测状态进行
8、在线调节以上方法的仿真结果表明控制效果能够令人满意作者简介：李成鑫( 1 9 7 6 一) ，男重庆綦江人，讲师磋士从事智能控制、现场总线控制等研究4 3 42 0 0 5 中国控制与决策学术幸会论文集2 智能内模控制器的设计智能型2 一自由度内模控制系统的结构如图1所示其中：P 为实际过程；P “为模型的传递函数；G ，。为智能型内模控制器；F 为反馈滤波器；R ，D ，Y分别为系统设定值、扰动和系统响应围】模型参考自适应内模控制结丰霉内模控制系统的对偶稳定性是在假定对象模型P ”准确的情况下得到的，这一条件在实际系统中很难保证，因为当模型与对象失配时，即使对象模型和内模控制器都很稳定，闭环
9、系统也有可能不稳定。因此，在设计内模控制器时，通常分两步来完成：控制器设计、滤波器设计及智能调整2 1控制器Q 的设计不考虑模型误差、约束条件来设计控制器Q ，其目标是保证系统的稳定性及稳态无差用相消法设计Q ，将P ”分解为两部分，即P M = P “+ P M u )其中：尸”+ 是模型的最小相位部分，P * 一是模型的非最小相位部分则内模控制器Q 为Q P i ! ( 1 ) P i l ( 2 )其中，为可实现因子，也称控制滤波器，一般取一阶滤波器形式，即 1 一f = 毒，0 a 1 ( 3 )1 这样设计的Q 是稳定的，根据对偶稳定性闭环系统也稳定，并且这样的Q 满足系统对阶跃输入
10、和扰动稳态无差2 ，2滤波器的设计和智能调整前面设计的内模控制器是在假定对象稳定且模型准确的前提下设计的若模型失配或有干扰存在时，闭环系统不一定能获得所期望的动态特性和鲁棒性，甚至有可能使月环不稳定解决由于模型失配而引起闭环不稳定的简单而有效的办法是调节控制滤波器，或者在反馈回路中插入一反馈滤波器F ，适当选取滤波器的结构和参数，有效地抑制输出振荡，且可获得所期望的动态特性和鲁棒性F 一般取一阶滤波器形式，为1 一目F = 景，0 卢 1 ( 4 )1 一p 这种形式的，具有爿：和H 。意义下的最优性无论模型在对象之间存在多大的失配，只要对象增益不变号，增大p ，总可以使系统闭环保持稳定本文综
11、合应用内模控制方法和模型参考自适应控制的思路，控制器的设计采用内模结构的相消法，设计如上控制滤波器参数的调节采用模糊调节，调节信号来自参考模型输出与系统实际输出的误差及其变化率，目标是使系统输出平稳快速反馈滤波器F 采用如式( 4 ) 的形式，p 取一个定值，通常，a 越大，响应越缓慢，同时对模型失配越不敏感；反之响应快而鲁棒性差，容易超调甚至振荡因此，在线模糊调节a 的基本思想是：根据如图l所示的误差e ( 参考模型输出与系统实际输出的差)及其变化率血决定a 的取值当误差较大时，为使误差迅速减小，输出快速趋于设定值a 应取较小的值；随着误差的逐渐减小，n 的取值也越来越大当误差较小时，如果系
12、统响应出现超调的趋势，为了防止输出产生超调，甚至出现振荡，a 应取较大的值；如果这时系统响应正缓慢趋于设定值，为了加快响应过渡过程，但又防止出现超调，。应取适中的值据此可建立如表1 所示的模糊控制规则表其中：e 和各分为7 挡，口分为5 挡，N B 表示负大，N M 表示负中，N s 表示负小z O 表示零，P S 表示正小，P M表示正中，P B 表示正大，V s 表示很小，S 表示小，M表示中，B 表示大，V B 表示很大衰1 模糊控制规则寰P BV SV SV SV SV SV SV S根据这个模搬控制规则表，利用模糊控制的方法。经过后续的模糊化、模糊推理和清晰化等步骤就可以实现n 的模
13、糊调节3有控制限幅时的策略以上控制器是未考虑控制受限而设计的在实曩惹李成鑫等：有控制限幅的模型参考自适应内模控制仿真研究4 3 5际工业过程控制中控制量由于执行机构等限制，控制信号的幅度和变化率都会受到影响如果直接应用未考虑控制受限而设计的控制器，就相当于在系统中引人了非线性环节，性能将受到影响如图2 ，设Y ，和Y ：分别为系统实际响应误差带的下、上限，正和Y ；分别为系统预测输出的上、下限，Y 。，J ：，Y j ，Y ：均可在线调整Y ，( + 工) 为系统模型预测输出值，其中L 表示滞后步数。_ 。，- 7，?Y l圈2 误差带示倒为严格限制控制量“，以保证系统良好的响应速度及抗扰性，
14、且系统响应不出现过大超调，根据系统响应和系统预测值是否在给定误差范围内来共同决定控制置在限幅值与内模控制器输出值之间进行在线智能切换即当系统响应小于Y 。且模型预测值小于Y j 时，用最大限幅值计算“( ) ，以提高快速性当系统响应大于Y z 且模型预测值大于预测误差带Y ：时，用最小限幅值计算u ( k ) ；其他情况直接按式( 2 ) 计算控制量“( ) 其中Y ，( + 工) 准确与否对控制量的影响较大借鉴预测控制中反馈校正的思路，利用反馈校正来修正开环模型预测具体的做法是：将第k 步的实际对象输出测量值y ( 女) 与预测模型输出( 女) 之间的误差加到模型的预测输出Y 。( + 工)
15、 上，得到闭环输出预测，用Y 。( + L ) 表示，即Y 。( 十L ) =J k ( + L ) + h E y ( k ) 一Y 。( ) =，。( + L ) 十 。( 女) ( 5 )其中：h 为修正误差系数，( ) 为k 时刻预测模型输出误差由于系统存在纯时延L ，开始时P ( ) ( 一1 ，2 ，工+ 1 ) 为0 ，到L 十1 时刻就会在预测值上突加一个e 。，对预测值有一定振荡为了减小这个影响，对h 取变参数，开始时取 1 ，慢慢增加h ，最终取h 一1 4仿真研究为验证本方案的有效性，本文取2 阶被控对象P ( 无模型误差) 为P2 瓦丽可可忑了可。，( 6 )其采样周期
16、T 一0 5s 分别取以下2 种参变形式进行仿真研究：尸一( 2 s 干苦孚矿而e - 1 “，( 7 )1+ 1 ) ( 1 8 5 + 1 ) 。P 一瓦万F 而著 汉丽干可e 。“4 8 )其中控制量限幅为0 “( ) 3 仿真结果如图3 和图4 所示其中，实线为采用本文提出的有控制限幅的模型参考自适应内模控制方法时的系统响应曲线，虚线为采用常规内模控制并用文献 8 方法解决有控制限幅问题时的系统响应曲线控制量均经系数为0 2 的变换后，表示在图下方围3 系统( 1 ) 响应曲战图4 系统( 2 ) 响应曲线由以上仿真结果可以看出，无论有无模型误差，采用本文提出的方法在系统响应的快速性、平稳性和鲁棒性方面都得到了较大改善，从而证明了本文提出
