Design of optimal disturbance rejection PID controllers usinggenetic algorithms

This paper presents a method to design an optimal disturbance rejection PID controller. First, a condition for disturbance rejection of a control system-H_∞-norm-is described. Second, the design is formulated as a constrained optimization problem. It consists of minimizing a performance index, i.e., the integral of the time weighted squared error subject to the disturbance rejection constraint. A new method employing two genetic algorithms (GA) is developed for solving the constraint optimization problem. The method is tested by a design example of a PID controller for a servomotor system. Simulation results are presented to demonstrate the performance and validity of the method     

基于微分预报的机载雷达稳定平台自抗扰控制系统

为了进一步提高机载雷达稳定平台的抗干扰能力,以满足其愈来愈高的精度需求;提出一种基于“先微分,后预报”的机载雷达稳定平台自抗扰控制方案;对比于传统自抗扰控制器,此方案将扩张状态观测器的扰动观测输出通过微分预报之后在补偿系统的扰动,有效地减少了扰动估计滞后的现象,显著提高了对系统扰动补偿的实时性;通过Matlab仿真实验表明,“先微分,后预报”自抗扰控制方案的超调量仅有1.11%,稳态时间只有0.52 s,远远小于PID控制,而其对扰动的响应幅值仅为PID控制的12.8%,且与PID控制相比,其对连续扰动的抑制能力更为优秀。     

基于线性自抗扰的开关磁阻电机调速控制研究

开关磁阻电机调速系统是复杂的非线性时变系统,负载扰动大,变量之间耦合严重,针对上述系统的性能特点提出采用线性自抗扰控制策略对系统进行控制的方法。首先为克服负载扰动变化,电机磁链呈非线性以及电流、位置等参数耦合的内外部干扰问题,设计扩张状态观测器对系统内扰和外扰进行准确估计并实时补偿。然后设计PD（比例-微分）控制器抑制系统给定与扩张状态观测器反馈的观测对象状态变量之间的跟踪误差。最后在仿真平台上对设计的控制系统进行试验并与传统PID控制方案进行对比,结果显示,对于给定的阶跃信号线性自抗扰控制器只需0.09s即可达到稳态且无超调,而PID控制器需要3s才能实现稳定跟踪。因此相比于传统PID控制,线性自抗扰控制器拥有更优的动静态性能,并且系统在外部负载扰动和内部模型参数变化的情况下也有良好的控制效果,表现出了很好的鲁棒特性。     

SCR烟气脱硝系统鲁棒抗干扰控制研究

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术是目前火电厂广泛采用的烟气脱硝方法,SCR脱硝系统反应过程复杂,具有大惯性、大迟延、强扰动和不确定性等特点,传统的PID控制无法实现喷氨量的精确控制。因此提出了一种SCR脱硝系统的鲁棒抗扰动控制方法,在设计鲁棒PID控制器的基础上,利用鲁棒时滞滤波器来达到抑制系统强干扰的目的。仿真实验表明,鲁棒时滞滤波器的加入改善了系统的动态性能,同时使得系统具有突出的抗干扰能力。该方法结构简单、整定方便、鲁棒性好,值得在工程应用中推广。     

基于自抗扰算法的“动中通”系统控制策略

动中通”(SOTM)伺服控制系统通常采用三闭环PID控制策略进行控制器的设计;然而,由于系统扰动和系统时变性参数的存在,传统PID算法难以保证“动中通”系统稳定、可靠地工作;针对传统控制策略的弊端,建立了“动中通”系统数学模型,并提出了一种基于自抗扰(ADRC)算法的双闭环控制策略;仿真实验表明,基于ADRC的双闭环控制策略不仅具有更快的响应速度和更高的控制精度,还有更强的鲁棒性,能有效地弱化系统扰动的影响,满足“动中通”系统的功能需求。     

Graphical Robust PID Tuning Based on Uncertain Systems for Disturbance Rejection Satisfying Multiple Objectives

Tuning parameters of the PID controller which satisfying certain requirements is the key goal in uncertain systems. However, most studies ignored the disturbance rejection performance of the controller. This study investigated a novel graphical design method of improving disturbance rejection performance for uncertain system. The proposed method evaluates the disturbance rejection performance by analyzing reference to disturbance ratio (RDR). At the same time, the parameters of the controller which can stabilize the system and meet the robustness specification for the uncertain system are determined by specifications-oriented Kharitonov region (SOKR). Thus, the intersection region satisfying multiple objectives can be found by using this graphical method. Examples are given to demonstrate the flexibility and effectiveness of the proposed method.     

立方体机器人自抗扰平衡控制方法

针对立方体机器人动力学模型多变量、强耦合的问题,提出一种基于自抗扰控制的平衡控制器设计方法.引入虚拟控制量,并在控制量与输出向量之间并行地嵌入多个自抗扰控制器,从而实现对多变量系统的解耦控制,将系统的动态耦合和外部扰动视为各自通道上的自抗扰控制器的总扰动,在为期望姿态安排过渡过程基础上,设计扩张状态观测器对总扰动进行估计并实时补偿.综合采用经验试凑法和带宽法对控制器参数进行整定,对自抗扰控制器系统进行稳定控制、姿态跟踪、抗扰性和鲁棒性实验,并与PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器不仅能有效实现立方体机器人的平衡控制,而且较PID控制器具有更好的响应速度、控制精度和强鲁棒性.     

Performance analysis of fractional order fuzzy PID controllers applied to a robotic manipulator

A two-link robotic manipulator is a Multi-Input Multi-Output (MIMO), highly nonlinear and coupled system. Therefore, designing an efficient controller for this system is a challenging task for the control engineers. In this paper, the Fractional Order Fuzzy Proportional-Integral-Derivative (FOFPID) controller for a two-link planar rigid robotic manipulator for trajectory tracking problem is investigated. Robustness testing of FOFPID controller for model uncertainties, disturbance rejection and noise suppression is also investigated. To study the effectiveness of FOFPID controller, its performance is compared with other three controllers namely Fuzzy PID (FPID), Fractional Order PID (FOPID) and conventional PID. For tuning of parameters of all the controllers, Cuckoo Search Algorithm (CSA) optimization technique was used. Two performance indices namely Integral of Absolute Error (IAE) and Integral of Absolute Change in Controller Output (IACCO) having equal weightage for both the links are considered for minimization. Numerical simulation results clearly indicate the superiority of FOFPID controller over the other controllers for trajectory tracking, model uncertainties, disturbance rejection and noise suppression.     

挠性航天器的非线性PID和PI姿态控制器设计

针对存在模型不确性和常值干扰的挠性航天器, 提出一种不依赖于模型参数的非线性PID姿态控制器. 该控制器在小姿态偏差的情况下近似经典的线性PID控制器. 另外, 考虑到航天器上陀螺失效情况, 设计了一种仅需姿态测量信息的非线性PI控制器. 这两种控制器在局部均对常值干扰有抑制作用, 并能使无干扰作用的姿态控制系统半全局渐近稳定. 闭环系统的稳定性证明采用了奇异扰动理论, 以解决积分项的存在带来的稳定性分析问题. 文章最后用数学仿真验证了控制器的性能.     

线性自抗扰控制的对偶性分析EI北大核心CSCD

本文对线性自抗扰控制的结构进行了分析,证明了线性自抗扰控制结构实际上是一种基于观测器的比例–积分–微分(PID)结构的对偶.该结构中状态反馈就是常规(高阶)PID控制,而PID控制中输出的积分和各阶导数由一不依赖于模型的扩张观测器获得.这种对偶性表明PID控制和线性自抗扰控制采用了同一个标准系统作为被控对象,但从不同的角度进行处理.理论及仿真表明,线性自抗扰控制是常规PID控制的扩展,克服了常规PID控制受测量噪声影响的问题,为高阶PID的应用提供了实际可行的实现.     

永磁同步直线电动机自抗扰控制算法研究

针对永磁同步直线电动机对于外界扰动以及系统参数变化敏感的特点,在传统自抗扰控制技术的基础上,结合前馈和反馈控制,提出一种改进型自抗扰控制算法,利用该算法可有效观测并补偿永磁同步直线电动机速度及位置控制系统中的动态耦合扰动。仿真结果表明,与经典PID控制及传统自抗扰控制算法相比,改进型自抗扰控制算法具有更好的动静态特性。     

基于时间尺度的Boost变换器自抗扰控制

以Boost变换器的控制策略为研究对象,将自抗扰控制技术应用到Boost变换器的控制策略中,使被控系统不但具有良好的动态特性,而且对参数变化具有较强的鲁棒性.同时针对自抗扰控制参数难以整定的特点,介绍了自抗扰控制的参数整定基本原则,对Boost变换器进行自抗扰控制仿真,并和PID控制进行对比.最后,用时间尺度概念对Boost变换器的自抗扰控制进行参数整定.仿真结果验证了该方法确实可行.     

用PID控制近似线性自抗扰控制

线性自抗扰控制(LADRC)是结合PID和现代控制理论发展起来的新型控制方法,很多文献表明PID可以转化为LADRC,那么LADRC能否近似为PID,并且近似效果如何,目前没有确定的答案.本文首先证明LADRC的积分作用实际上包含在扰动的估计及补偿里,说明了二阶LADRC和PID的关系.然后根据LADRC阶数的不同,本文提出了实际PID+n阶超前环节的策略近似各阶LADRC.通过仿真实例,说明二阶和三阶LADRC和转化后的PID具有相似的抗干扰性能,但更高阶的LADRC转换得到的PID控制效果不如LADRC.因此,LADRC是PID控制在工业过程控制中的推广,具有更多的应用前景.     

基于差分进化的伺服电机自抗扰控制

针对传统PID、模糊控制算法设计简单,无法对实际系统进行扰动补偿,导致外部未知干拢影响伺服电机的控制,提出一种基于差分进化的伺服电机自抗扰控制技术;通过对自抗扰控制中参数kp、kd的动态整定,对比了基于差分进化算法(DE ADRC)、自抗扰控制算法(ADRC)、PID算法的跟踪误差,结果显示DE-ADRC算法具有明显优势,较ADRC算法、PID算法的跟踪误差分别降低了54％和49％;进一步利用蒙特卡罗统计学算法对控制对象进行仿真,以超调量、调节时间和误差绝对值积分为控制性能评估指标证明所提出的DE-ADRC算法比PID算法和ADRC算法具有更强的鲁棒性和系统抗干扰能力,为伺服电机在实际工程中抗干扰能力的增强提供了技术支持.     

自抗扰控制对具边界扰动和区间内反阻尼的波动方程的镇定

本文讨论边界具有外部扰动和区域内具有反阻尼的一维波动方程的的镇定问题. 主要的方法是后退反演变换和自抗扰控制方法. 即通过扩张状态观测器将扰动在线估计并在反馈控制中实时消除. 本文在扩张状态观测器中使用了两种增益调整策略——常数高增益与时变增益. 为避免常数高增益带来的峰值问题, 在控制环节中使用了饱和方法. 时变的增益可以在很大程度上减少扩张状态观测器中由于常数高增益引起的峰值问题同时可以达到完全消除干扰的镇定效果.     

自耦PID控制器

针对比例—积分—微分(Proportional-integral-differential, PID)控制器的整定问题, 提出了自耦PID (Self-coupling PID, SC-PID)控制方法.该方法将系统动态和内外不确定性定义为总和扰动, 从而将非线性不确定系统变换为线性不确定系统, 进而构建了总和扰动反相激励下的误差动态系统, 据此设计了SC-PID控制律模型和整定规则, 进而设计了自适应速度因子(Adaptive speed factor, ASF)模型.数值仿真结果表明, SC-PID具有快的响应速度、高的控制精度、良好的抗总和扰动鲁棒性等诸多优点. SC-PID整定规则为现有PID整定结果的技术评估与技术升级提供了科学的理论依据, 在国防和工业控制领域具有广泛的应用价值.     

自抗扰控制在永磁直线电机控制中的应用

针对在工业中广泛应用的PID控制器的特点及存在的问题做了分析,并介绍了自抗扰控制技术的原理、结构、以及控制器的设计.对一个永磁直线电机在考虑将电机耦合视为内扰及外部摩擦干扰情况下的具体实例给出了采用自抗扰控制技术的仿真结果.同时对简化的电机模型也给出了采用PID调节的仿真结果.结合仿真结果可以看到自抗扰控制器的抗干扰性和鲁棒性都优于经典PID控制器.     

非平衡负载下轮式移动机器人的抗扰PID控制

在非平衡负载条件下,轮式移动机器人(WMR)的前进、转向速度耦合,影响着轨迹跟踪和避障等运动控制性能.为此,本文提出了一种基于抗扰PID(DR–PID)控制器的WMR速度调节主动抗扰(ADR)控制策略.首先,建立WMR的速度耦合模型,引入解耦矩阵减小静态耦合作用;然后,基于一类改进干扰观测器(DOB)控制方法,设计一种具有ADR能力的PID控制器,即DR–PID,用于WMR的速度分散调节.进一步,考虑高频增益不匹配/不确定性,分析闭环系统稳定性条件.所得结论揭示了PID控制器的抗扰机理;最后,在不平衡负载条件下开展WMR运动控制实验研究,实验结果验证了所提方法的有效性.     

基于模糊理论的数控伺服系统仿真研究

在数控伺服系统中,当系统参数发生变化或者受到外界干扰时,采用PID控制容易导致过大的超调甚至引起震荡,从而使系统的动静态性能变差。本文提出一种模糊PID控制器,它结合了PID控制和模糊控制的优点,具有较好的自适应和抗干扰能力。以本研究所研制的数控高速铣齿机Z轴位置伺服系统为研究对象,在Matlab中分别采用PID和模糊PID控制进行仿真。结果表明,模糊PID控制器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,更能满足数控伺服系统的性能要求。     

基于自抗扰控制技术的发电机励磁控制系统

采用合理的发电机励磁控制方案对改善电力系统小扰动及大扰动稳定性有着重要的作用。介绍了自抗扰控制器的原理;分析了传统的PID励磁控制器无法实用的原因;针对其固有的缺陷,提出了一种基于自抗扰控制技术的新型励磁控制策略,并分析了其动态性能较PID控制器优异的原因。仿真结果表明,所提出的励磁控制策略能快速抑制发电机端电压的大幅振荡,有效地改善系统的动态品质,提高系统的稳定水平。