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自抗扰控制器在温控系统中的实用化研究及应用
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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。
With decades of years development, PID algorithm has become one of the most widely and universal control strategies, for its simpleness, stability and reliability. However, as a result of the nonlinearity and time varying in industry producing process, classical PID controller cannot bring well effect. Though having good control capability, the parameter tuning theory of ADRC (Active Disturbance Rejection Controller) is not perfect, which is not well applied.
     Under this background, this paper mainly aims to study nonlinear PID controller, active disturbance rejection controller, Smith predictor controller and feedforward controller. In order to improve the stability, this paper puts forward ADRC-Smith predictor controller and feedforward ADRC controller, which is applied to large-lag temperature control system, and then brings the solutions of blow molding control system. After a mass of theory study, emulating and experimentation, the solution reaches well effect. The major works of this paper are summarized as follows:
     1. The status and characteristic of active disturbance control and temperature control have been studied.
     2. The development of ADRC is studied and the theory and advantage are deeply studied. ADRC has better characteristic than PID when the object is nonlinear, but parameter tuning theory is not perfect, so is not widely used.
     3. Via MATLAB emulating, the parameter of ADRC is found. Via unifying the parameter, the aim of simplifying the tuning is reached. Experiment is taken on non-lag platform, and the feasibility of parameter tuning discipline is confirmed.
     4. ADRC is applied to large-lag temperature control system. If the time lag system is equivalent to one order system, the order of ADRC must be increased, and the number of parameters is increased, which increase the difficulty of tuning,while lacking principle of parameter tuning. The paper combines the ADRC with Smith predictor controller and feedforward controller to make ADRC-Smith predictor controller and feedforward ADRC controller to solve large-lag control problem. The advantage of the two new controllers is that the order will not increase, which is a new approach to resolve uncertain time lag control problem, and is innovation in ADRC controller application.
     5. Experiments on large-lag platform based on PCC (Programmable Computer Controller) are taken and the control effect is compared with the special temperature controller PIDXH. The result indicates that feedforward ADRC controller is better than PIDXH in stability, robustness.
     6. The solution of blow molding machine control system is researched, and feedforward ADRC controller is tested in blow molding machine. The control effect is good and the feasibility of the algorithm is validated.
引文
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