自适应控制。与常规反馈控制一样,自适应控制也是一种基于数学模型依据较少的关于模型和扰动的先验知识的控制方法。它要在系统运行过程中需要不断提取、更新与模型有关的信息,来逐渐完善模型,因而是效克服参数变化的影响的一种有效手段。然而辨识和校正是需要一个时间过程的,就成就了其两面性:在参数变慢化时,具有校正作用;在参数变化快时,就难以获得好的动态效果。
图1.2 自适应系统原理框图
自适应控制系统可看成有两个闭环(图1.2),一个是常规由控制器与被控对象组成的反馈环;另一个是参数调节环。
作为现代控制理论的一个重要的分支自适应控制[7,8],近年来快速发展,被广泛的应用于多种研究领域。自适应控制典型代表为参数辨识自校正调节、模型参考自适应系统(MRAS)。MRAS理论较为成熟,相比于传统的控制策略,它仅仅需要一个相对合适的参考模型即可,其关键性问题在于在稳定性和精确性同时兼顾的情况下,怎样设计自适应参数调整规律。在电机控制中应用中,自适应控制表现出的不足的地方:一是繁琐的数学模型和运算,复杂化了控制系统;二是辩识和校正都需要一个较长时间的过程,就可能产生时间不匹配问题,难以达到预期的效果;
滑膜变结构控制。滑模变结构控制[9]是变结构控制的一种控制策略,具有控制的不连续性(即一种使系统“结构”随时变化的开关特性),这是它与常规控制的根本区别所在。其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目的地使系统沿着设计的“滑动模态”的轨迹运动。可以设计这种滑动模态,不受系统的参数及扰动的影响,因而使系统具有很强的鲁棒性。另外,此控制不需要任何在线辨识,很容易实现。但是由滑模变结构控制本质特性——不连续开关特性引起了“抖振”问题,主要原因是:实际情况总是会限制系统的控制力,从而使系统的加速度有限;出现系统的惯性、切换开关的时间空间滞后以及状态检测的误差等。所以,抖振在一定程度上限制了此控制系统的应用。
PID控制。常规的PID控制系统框图如图1.3所示,系统主要有PID控制器(依据自动调节原理设计)和被控对象组成。属于线性控制器,在给定值和实际输出值构成控制偏差后,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,来控制被控对象,故称PID控制器[10]。
图1.3 PID控制系统原理图
如图1.3所示e(t)为控制器的输入,u(t)既是控制器输出同时又是被控对象的输入。其控制规律为:
式中: 是比例系数; 是积分系数; 是微分系数。
下面简要介绍一下PID控制器的三个参数的主要作用与功能:
(1)比例环节,在系统产生的控制量偏差及时做出反应,并快速地进行调节。而其大小将直接影响系统的响应快慢。能立刻纠正的输出值,但是它不能让该输出值在理想的状态下稳定,因而当比例系数过大,可能导致系统超调,破坏系统的可靠性。
(2)积分环节,将产生的偏差累积成为输出量,并且进行调节。偏差是必然的,当其为零时输出量才能够达到稳定状态不变,在比例调节的基础上积分系数能减小输出的余差,因此积分调节器能够修整系统工作中的误差,但是积分系数过大会使得该环节累积作用变弱,破坏系统可靠性。
(3)微分环节,能避免偏差信号的不断波动。它是通过偏差的变化速率进行调节的。当偏差变化速率加快时,微分控制器的控制输出随之加大,因此能在偏差变大之前进行调节微分系数的大小而具有控制超前的作用。若微分系数设置得当, 能够明显改变系统的动态特性。需要注意的是积分环节比较敏感于那些输入信号存在噪声的对象,若系统存在较大的干扰和噪声则通常不使用微分控制[11,12]。
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