基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服pid控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及PID控制技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的 電液伺服PID控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，電液伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器、大型機(jī)械、冶金等工業(yè)部門。電 液伺服控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)預(yù)先的參數(shù)設(shè)定將系統(tǒng)負(fù)載的參數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，防 止負(fù)載出現(xiàn)故障，所以電液伺服系統(tǒng)的精度與決定負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)密切相關(guān)。隨著現(xiàn) 代工業(yè)的發(fā)展，對電液伺服系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，同時要求系統(tǒng)對惡劣環(huán)境有較 強(qiáng)的適應(yīng)能力。
[0003] 電液伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)電液耦合系統(tǒng)，其特征是非線性、不確定性、時變性、外 界干擾和交叉耦合干擾，另外液壓伺服系統(tǒng)還受到如油液粘度、溫度、現(xiàn)場工況等多種"軟" 參量因素的影響，因此建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型存在一定的困難。目前電液伺服系統(tǒng)通常 用PID(Proportion比例、Integration積分、Differentiation微分）進(jìn)行控制，PID控制 原理簡單、易于整定，使用方便且調(diào)節(jié)性能指標(biāo)對于受控對象的稍許變化不很敏感。但PID 控制器只有在參數(shù)得到良好整定的前提下才能達(dá)到令人滿意的效果。為了滿足電液伺服系 統(tǒng)控制性能的要求，就需要尋求一種與PID控制相結(jié)合的新的控制策略。Smith預(yù)估控制方 法可以使調(diào)節(jié)器提前動作，從而抵消掉時滯特性造成的影響，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 性，加速調(diào)節(jié)過程，提高系統(tǒng)的快速性；但是Smith預(yù)估控制有兩個主要的缺點(diǎn)：（1)隨著對 象特性變化的魯棒性得不到保證；（2)當(dāng)存在外界干擾時，不能得到很好的克服。
[0004] 因此，為解決上述問題，需要提供一種新的電液伺服PID控制技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID 控制方法及系統(tǒng)，以解決不依賴對象的數(shù)學(xué)模型和外界帶來的干擾問題。
[0006] 本發(fā)明提供一種基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制方法，包括：通過DMC 前饋控制器和PID負(fù)反饋控制器相結(jié)合對電液伺服系統(tǒng)輸入量進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：
[0007] 建立所述DMC前饋控制器；
[0008] 通過所述DMC前饋控制器優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及滾動優(yōu)化所述電液 伺服系統(tǒng)的控制輸入值；
[0009] 建立所述PID負(fù)反饋控制器，獲取優(yōu)化所述電液伺服系統(tǒng)的控制輸入值；其中，對 所述PID負(fù)反饋控制器的參數(shù)進(jìn)行整定；
[0010] 根據(jù)所述DMC前饋控制器獲取的所述電液伺服系統(tǒng)的滾動優(yōu)化的控制輸入值和 根據(jù)所述PID負(fù)反饋控制器獲取的所述電液伺服系統(tǒng)的優(yōu)化的控制輸入值，獲取所述電液 伺服系統(tǒng)總的優(yōu)化的控制輸入值。
[0011] 本發(fā)明還提供另一種基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制系統(tǒng)，包括：
[0012] DMC前饋控制器建立單元，用于建立所述DMC前饋控制器；
[0013] 性能指標(biāo)優(yōu)化單元，用于通過所述DMC前饋控制器優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)的性能指 標(biāo)；
[0014] 控制輸入值滾動優(yōu)化單元，用于通過所述DMC前饋控制器滾動優(yōu)化所述電液伺服 系統(tǒng)的控制輸入值；
[0015] PID負(fù)反饋控制器建立單元，用于建立所述PID負(fù)反饋控制器，獲取優(yōu)化所述電液 伺服系統(tǒng)的控制輸入值；
[0016] PID負(fù)反饋控制器的參數(shù)整定單元，用于對所述PID負(fù)反饋控制器的參數(shù)進(jìn)行整 定；
[0017] 總的優(yōu)化的控制輸入值獲取單元，用于根據(jù)所述DMC前饋控制器獲取的所述電液 伺服系統(tǒng)的滾動優(yōu)化的控制輸入值和根據(jù)所述PID負(fù)反饋控制器獲取的所述電液伺服系 統(tǒng)的優(yōu)化的控制輸入值，獲取所述電液伺服系統(tǒng)總的優(yōu)化的控制輸入值。
[0018] 從上面的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制 方法及系統(tǒng)，采用基于前饋DMC(動態(tài)矩陣控制）的PID控制器對電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè) 計和分析。DMC算法采用對象的單位階躍響應(yīng)系數(shù)建立預(yù)測模型，不依賴對象的精確數(shù)學(xué) 模型，能夠利用較小時域內(nèi)的控制輸出序列，通過滾動優(yōu)化實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時刻控制輸入量的優(yōu) 化。另一方面，DMC算法通過在優(yōu)化性能指標(biāo)中引入正則化項(xiàng)，能夠有效地抑制外界帶來的 干擾，使得整個電液伺服系統(tǒng)具有較好的快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
[0019] 為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個或多個方面包括后面將詳細(xì)說明并在 權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。 然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明 旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。
【附圖說明】
[0020] 通過參考以下結(jié)合附圖的說明及權(quán)利要求書的內(nèi)容，并且隨著對本發(fā)明的更全面 理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中：
[0021] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制方法流程 示意圖；
[0022] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電液伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖；
[0023] 圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 框圖。
[0024] 在所有附圖中相同的標(biāo)號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個或多個實(shí)施例的全面理解，闡 述了許多具體細(xì)節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)這些實(shí)施例。
[0026] 針對前述提出的隨著對象特性變化的魯棒性得不到保證，以及當(dāng)存在外界干擾 時，不能得到很好的克服等問題，本發(fā)明提出了一種基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID 控制方法及系統(tǒng)，本發(fā)明采用基于前饋DMC的PID控制器對電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計和 分析，以解決上述問題。
[0027] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0028] 為了說明本發(fā)明提供的基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制方法，圖1示 出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制方法流程。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于動態(tài)矩陣前饋預(yù)測的電液伺服PID控制方法包括： 通過DMC前饋控制器和PID負(fù)反饋控制器相結(jié)合對電液伺服系統(tǒng)輸入量進(jìn)行優(yōu)化，具體步 驟如下：
[0030] S110 :建立DMC前饋控制器；
[0031]S120:通過DMC前饋控制器優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及滾動優(yōu)化電液伺 服系統(tǒng)的控制輸入值；
[0032]S130:建立PID負(fù)反饋控制器，獲取優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)的控制輸入值；其中，對PID 負(fù)反饋控制器的參數(shù)進(jìn)行整定；
[0033]S140:根據(jù)DMC前饋控制器獲取的電液伺服系統(tǒng)的滾動優(yōu)化的控制輸入值和根據(jù) PID負(fù)反饋控制器獲取的電液伺服系統(tǒng)的優(yōu)化的控制輸入值，獲取電液伺服系統(tǒng)總的優(yōu)化 的控制輸入值。
[0034] 在本發(fā)明中，采用基于前饋DMC的PID控制器對電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計和分 析，其中，DMC(動態(tài)矩陣控制）是一種先進(jìn)的預(yù)測控制算法，DMC算法采用對象的單位階躍 響應(yīng)系數(shù)建立預(yù)測模型，不依賴對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠利用較小時域內(nèi)的控制輸出序 列，通過滾動優(yōu)化實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時刻控制輸入量的優(yōu)化。
[0035] 也就是說，在本發(fā)明中，DMC作為系統(tǒng)的前饋控制器，與PID負(fù)反饋控制器相結(jié)合 來提前優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)中輸入值。
[0036] 在步驟S110中，建立DMC前饋控制器，也就是建立DMC算法的預(yù)測模型。
[0037]DMC算法采用對象的單位階躍響應(yīng)系數(shù)建立預(yù)測模型，在電液伺服系統(tǒng)的輸入 端加上一單位階躍信號后，在各個采樣時間的動態(tài)階躍響應(yīng)系數(shù)分別為a1=a(iT)，i= 1，2，...，N，N是模型的時域長度；
[0038] 根據(jù)線性系統(tǒng)的比例和疊加性質(zhì)，從k時刻起對系統(tǒng)施加Μ個輸入控制增量 Au(k+j)，j= 0, 1，…Μ-1后，則系統(tǒng)在未來ρ個時刻的預(yù)測輸出等于不施加任何控制增量 時系統(tǒng)的輸出與單獨(dú)施加這Μ個輸入控制增量引起的系統(tǒng)輸出的疊加，即：
[0039] yM (k+11k)=y〇 (k+11k)+a!Δu(k) (la)
[0040] yM(k+2 |k) =y〇(k+2 |k) +a2Δu(k)+a1Δu(k+1) (lb)
[0041] .
[0042] .
[0043] .
[0044]yM(k+P|k) =y〇(k+P|k) +aPΔu(k) +··· +aPM+1Δu(k+M-1) (lc)將公式（la) 至（lc)寫成矢量形式為：
[0045] YM(k+l) =Y〇(k+l)+AAU(k) (2)
[0046]其中，AU(k) = [Au(k)，Au(k+1)，···，Au(k+M_1)]T，P為滾動優(yōu)化時域長度，M 為控制時域長度（Μ彡P(guān)彡N)，A為由階躍響應(yīng)系數(shù)組成的PXM矩陣，如下所示：
[0047] ? )
[0048] 在步驟S12中，通過DMC前饋控制器優(yōu)化電液伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及滾動優(yōu)化 電液伺服系統(tǒng)的輸入量，也就是優(yōu)化性能指標(biāo)及滾動優(yōu)化控制器的輸入。
[0049] 其中，DMC采用滾動優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，選擇未來控制時域Μ內(nèi)的控制增量序列，使系 統(tǒng)在其作用下未來優(yōu)化時域Ρ內(nèi)的預(yù)測輸出值盡可能接近期望輸出值，最優(yōu)控制律由以下 二次型性能指標(biāo)確定：
[0050]
[0051] 其中，屯