自动化学报
ACTA AUTOMATICA SINICA
1997年 第23卷 第1期 Vol.23 No.1 1997



增益预估自适应纯滞后补偿控制器
王连铮　张建华　孟庆贤
关键词　对象参数变化检测，动态增益自适应，理想增益自适应，鲁棒镇定，纯滞后补偿.
GAIN PREDICTIVE ADAPTIVE CONTROLLER
WITH DEAD TIME COMPENSATION
WANG LIANZHENG　 ZHANG JIANHUA　 MENG QINGXIAN
(Anshan Iron and steel complex Institute of Technoloty,Dept.of Automatic Control,Anshan 114001)
Key words　Process parameter varying detect,dynamic gain adaptation,ideal gain adaptation,robust-stabilization,dead time compensation.
1　引言
　　在具有大纯滞后对象的工业控制中，通常采用Smith［1］ 和 Giles［2］法来补偿纯滞后带来的控制不稳定问题.Smith法要求对象精确的数学模型，在实际生产中由于存在多种不可测扰动，很难建立精确的数学模型.而Giles提出的控制器是利系统输出 Y与预估模型的输出 Ym 之比 k 来修正控制器增益，这样必须等到对象增益变化引起系统输出 Y 变化时才起增益调节作用，具有很大的滞后性.特别是在预估器模型与实际对象参数不匹配，即对象参数时变时将引起超调量增大，振荡次数增加，严重时将导致系统振荡.
　　本文提出：“增益预估自适应纯滞后补偿控制器”.它用系统输出的变化率与预估器输出变化率之比 k1 来辨识被控对象增益的变化趋势，同时在线修正控制器增益和预估模型增益，实现动态增益预估自适应；同时它利用实际系统输出 Y 与理想参考模型输出 Yi 之比 k2 来在线修正控制器增益，实现理想增益自适应.总之，保证系统总增益恒定，保证系统鲁棒镇定，实现期望的系统性能指标.
2　控制器的设计
　　增益预估纯滞后补偿控制器框图如图1所示.

图1　增益预估纯滞后补偿控制器
　　设被控对象为一阶惯性加纯滞后环节，传递函数为　　　　(1)
　　控制器为比例积分环节
　　　(2)
　　可以根据常用的 1/4 振荡衰减条件整定系统，即保证系统开环总增益恒定，即
｜GC(S)｜、｜G0(S)｜=｜GC(S)｜.K0.｜G0′(S)｜=常数　　　　(3)
　　由于对象参数时变，且具有较大纯滞后，本控制器采用了对象参数 K0，T0 变化的检测；动态预估增益自适应；理想增益自适应；预估反馈信号的附加自适应；补偿了纯滞后的影响，实现了系统特性不受对象参数时变的影响.
　　本控制器采用被控对象输出的微分与预估模型输出微分之比 k1预测对象参数的变化，即
　　　(4)
　　　　(5)
　　　　(6)
　　显然 k1 大小反应了对象参数的变化，因此 k1 辨识了对象参数的变化趋势.为了保证 k1 的抗干扰能力，将 k1 加一限幅器，当噪声干扰时 dy/dt 将增大，而dym/dt 不变，k1 增大，限幅抑制噪声干扰.用 k1 在线修正控制器增益，保证系统总增益不变.当 T0=Tm 时最明显，系统总增益是：
　　　　(7).
　　它与对象参数无关，从而保证了系统鲁棒镇定，实现了动态增益预估自适应控制.
　　预估模型增益的预调整.为了克服纯滞后问题，采用预估信号作为反馈信号.Giles法中预估模型的增益不变(Km)，很难准确预估对象输出，当对象的增益改变时，控制器与预估器组成的系统开环增益为
　　　(8).
　　式中对象增益 K0 的改变将导致输出不稳定，K0 变小时总增益将变大(这就是有时系统振荡的原因).本控制器用 k1 修正预估模型增益，使其跟随对象增益变化，其预估输出为
　　　(9)
　　显然预估模型输出与对象输出一致，较准确，而且系统开环增益为
　　　(10).
　　显然系统开环总增益不变，与对象参数变化无关，克服了Giles法的缺点.
　　上式中 k2 是实现理想模型跟踪的校正信号，因为系统反馈信号采用预估信号 YX，系统实际输出 Y 没有参与反馈控制，实际系统是开环的.为了使 Y 达到给定的性能指标，本控制器加入了理想增益自适应.设系统理想模型传递函数为 Wm(S)，则理想系统输出和实际系统输出是
　　(11)
　　　(12)
　　根据模型完全匹配条件
　　　(13)
　　整理得系统等效控制器
　　(14)
　　理想模型自适应是在系统内模稳定情况下的外环调节，使系统输出满足性能指标.
3　应用
　　本控制器应用于钢铁厂含酸废水 pH值控制取得了满意效果，运行曲线如图2.


图2　本控制器在废水 pH控制曲线一部分
　　各轧钢厂因酸洗钢材工艺不同，用酸种类不同，含酸废水pH值在4—7之间波动.实测K0变化 10 倍左右，T0 在 6—12分钟之间变化，为快速抑制扰动又采用了前馈控制，从图2看出，处理后水的pH值曲线平稳，保证了水的中性，可以回收循环使用，节水、节电、经济效益、社会效益显著.
作者单位：鞍钢职工工学院自控系　鞍山　114001
参考文献
［1］Smith O J H. A controller to overcome dead time.ISAJ.1958,(2):28—33.
［2］Giles R F.Gain adaptive dead time compensation.ISA Trans.1977,(1).
收稿日期　1994-07-04
