学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法与设计研究

作　者: 王春阳
导　师: 石要武
学　校: 吉林大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 分数阶微积分 分数阶Pl~λD~μ控制器 参数整定方法 数值化实现 阶跃响应特性 鲁棒性
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 263次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


进入21世纪以来，随着分数阶微积分理论研究不断取得突破，分数阶微积分控制理论研究开始成为控制领域中一个新的研究热点。研究发现基于分数阶微积分方程描述的实际系统或非线性系统物理意义更清晰，物理特性更精确；而基于分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法因其多了两个整定参数（积分阶次λ和微分阶次μ），使系统控制更灵活，控制效果更好。然而，由于分数阶控制理论尚处于理论研究阶段，分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法主要还是采用整数阶PID控制器参数整定方法，分数阶Pl~λD~μ控制器设计与实现方法比较复杂，对计算能力要求高，因此，分数阶Pl~λD~μ控制器的理论和应用研究有待进一步深入和完善。本文针对分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法、分数阶微积分算子（s±α）的离散化方法、分数阶Pl~λD~μ控制器设计与实现以及分数阶控制系统动态响应特性仿真实验进行了深入系统的研究。主要研究工作及创新性成果如下：1.针对被控对象模型已知的稳定最小相位被控对象，在相位裕度和幅值裕度等传统整数阶PID控制器参数整定方法的基础上，提出了控制系统开环传递函数相位Bode图在截止频率ω c附近相对平坦（flat-phase）的对增益变化具有鲁棒性的分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法。而针对一类未知模型、稳定的最小相位被控对象，通过采用一种继电反馈测试实验的方法，提出了具有等阻尼（Iso-damping）特性的自整定分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法。实验结果表明本文提出的分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法不仅可以改善控制系统动态响应特性，而且可以获得比整数阶PID控制器参数整定方法更强的鲁棒性。2.采用本文提出的分数阶PI λ Dμ控制器参数整定方法完成了面向不同被控对象的分数阶PI λ Dμ控制器设计。（1）提出并设计了面向一阶、二阶及三阶等被控对象的IOPID、FOPI、FO[PI]、FOPD、FO[PD]和FOPID等控制器。（2）提出并设计了面向滞后被控对象的IOPID、FOPI、FO[PI]、FOPD、FO[PD]和FOPID等控制器。（3）提出并设计了面向分数阶被控对象的IOPID、FOPI、FO[PI]和FOPID等控制器。（4）提出并设计了面向一组未知模型、稳定且具有最小相位的被控对象、系统具有等阻尼特性的自整定FOPI和FO[PI]控制器。3.系统研究了分数阶微积分算子s±α(α∈R)的解析数值近似法、直接离散化近似法和间接离散化近似法。重点研究了近似效果较好的Al-Alaoui+CFE直接离散化方法以及Oustaloup和改进Oustaloup间接离散化方法。并利用这些方法实现了分数阶Pl~λD~μ控制器数值离散化处理。4.基于Matlab/Simulink符号工具箱，在分数阶Pl~λD~μ控制器离散化数值实现的基础上，设计得到不同分数阶PI λ Dμ控制器封装模块和控制系统仿真原理图，运行仿真原理图得到不同控制系统的单位阶跃响应特性，并进行系统动态响应特性的对比分析。5．首次在基于LabVIEW的半实物实验平台上实现了分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法的实验研究。通过将数据采集板、控制软件、外设接口、放大器和物理设备的合理配置，搭建了实验仿真平台，并在该平台上进行了基于IOPID、FOPD、FO[PD]等控制器的系统动态特性仿真实验研究。进一步验证了采用分数阶Pl~λD~μ控制器参数整定方法不仅可以改善系统动态响应特性，而且可以获得好于传统PID控制器参数整定方法的系统鲁棒性及抗干扰性。推动了分数阶PI λ Dμ控制器在实时控制系统中的应用。最后，对本文所做的工作进行总结，并对今后的研究工作进行展望。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章 绪论  12-28
  1.1 引言  12-13
  1.2 分数阶微积分基本概念  13-19
    1.2.1 基本函数  13-15
    1.2.2 分数阶微积分定义及性质  15-18
    1.2.3 分数阶微积分的 Laplace 变换  18-19
  1.3 分数阶微积分在控制系统中的应用  19-23
    1.3.1 分数阶控制系统微分方程描述  19-20
    1.3.2 分数阶控制器参数校正方法研究现状  20-22
    1.3.3 分数阶系统求解方法研究现状  22-23
    1.3.4 分数阶微积分特点及存在的问题  23
  1.4 本文主要内容及各章节安排  23-28
第二章 分数阶 PID 控制器设计与实现  28-50
  2.1 分数阶 PID 控制器描述  28-31
    2.1.1 概述  28-29
    2.1.2 PID 控制器描述  29-31
  2.2 分数阶 PID 控制器设计  31-35
    2.2.1 PID 控制器参数变化对系统性能的影响  31-33
    2.2.2 分数阶 PID 控制器参数整定方法与设计  33-35
  2.3 分数阶 PID 控制器实现  35-46
    2.3.1 解析法  35-36
    2.3.2 直接离散化方法  36-40
    2.3.3 间接离散化方法  40-46
  2.4 分数阶 PID 控制系统设计实现与仿真  46-48
  2.5 本章小结  48-50
第三章 整数阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  50-82
  3.1 一阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  50-63
    3.1.1 一阶被控对象与控制器模型  50-51
    3.1.2 整数阶 PID 控制器的设计  51-53
    3.1.3 分数阶 PID 控制器设计  53-60
    3.1.4 数值仿真与结果分析  60-63
  3.2 二阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  63-74
    3.2.1 二阶被控对象与控制器模型  63-64
    3.2.2 分数阶PD μ控制器设计  64-69
    3.2.3 数值仿真与结果分析  69-74
  3.3 三阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  74-80
    3.3.1 三阶被控对象与控制器模型  75
    3.3.2 分数阶Pl~λ Dμ控制器设计  75-78
    3.3.3 数值仿真与结果分析  78-80
  3.4 本章小结  80-82
第四章 时滞被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  82-96
  4.1 时滞被控对象模型  82
  4.2 时滞被控对象分数阶 PID 鲁棒控制器设计  82-90
    4.2.1 整数阶 PID(IOPID)控制器设计  82-84
    4.2.2 分数阶Pl~λ(FOPI)控制器设计  84-86
    4.2.3 分数阶Pl~λ(FO[PI])控制器设计  86-88
    4.2.4 分数阶Pl~λD~μ(FOPID)控制器设计  88-90
  4.3 数值仿真和结果分析  90-94
    4.3.1 IOPID 控制系统仿真  90-91
    4.3.2 FOPI 控制系统仿真  91-92
    4.3.3 FO[PI]控制系统仿真  92
    4.3.4 FOPID 控制系统仿真  92-93
    4.3.5 时滞系统单位阶跃响应特性对比分析  93-94
  4.4 本章小结  94-96
第五章 分数阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制  96-108
  5.1 分数阶被控对象与分数阶控制器  96-98
    5.1.1 分数阶被控对象数学模型  96
    5.1.2 控制器模型  96-98
  5.2 分数阶被控对象分数阶 PID 鲁棒控制器设计  98-104
    5.2.1 整数阶 PID(IOPID)控制器设计  98-99
    5.2.2 分数阶Pl~λ(FOPI)控制器的设计  99-101
    5.2.3 分数阶Pl~λ(FO[PI])控制器设计  101-103
    5.2.4 分数阶Pl~λD~μ(FOPID)控制器设计  103-104
  5.3 数值仿真和结果分析  104-107
    5.3.1 FOPI 控制系统仿真  105
    5.3.2 FO[PI]控制系统仿真  105-106
    5.3.3 FOPID 控制系统仿真  106-107
    5.3.4 基于不同控制器的分数阶系统特性对比分析  107
  5.4 本章小结  107-108
第六章 分数阶 PID 控制器自整定方法  108-125
  6.1 分数阶Pl~λD~μ控制器自整定原理  108-110
  6.2 基于继电反馈的自整定分数阶Pl~λ控制器的设计  110-116
    6.2.1 自整定分数阶Pl~λ(FOPI、FO[PI])控制器设计规则  110-111
    6.2.2 自整定分数阶Pl~λ(FOPI)控制器设计  111-114
    6.2.3 自整定分数阶Pl~λ(FO[PI])控制器设计  114-115
    6.2.4 自整定控制器参数求解  115-116
  6.3 数值仿真与结果分析  116-124
    6.3.1 高阶被控对象 FOPI 和 FO[PI]控制系统仿真  116-119
    6.3.2 带积分环节被控对象的 FOPI 和 FO[PI]控制系统仿真  119-122
    6.3.3 延迟被控对象的 FOPI 和 FO[PI]系统仿真  122-124
  6.4 本章小结  124-125
第七章 基于 LABVIEW 软件的分数阶控制系统实验  125-134
  7.1 基于 LABVIEW 的分数阶控制系统半实物仿真平台  125-126
  7.2 基于 LABVIEW 的分数阶控制系统特性实验  126-131
    7.2.1 基于 IOPID 控制器的控制系统实验  126-128
    7.2.2 基于 FOPD 控制器的控制系统实验  128-129
    7.2.3 基于 FO[PD]控制器的控制系统实验  129-130
    7.2.4 动态特性分析  130-131
  7.3 本章小结  131-134
第八章 结论与展望  134-136
  8.1 结论  134-135
  8.2 展望  135-136
参考文献  136-150
作者简介及科研成果  150-154
致谢  154

相似论文

  1. 基于甘油跨膜运输混杂动力系统的鲁棒性与辨识,TQ223.162
  2. 用于电子签章图像系统的数字水印技术研究,TP309.7
  3. 基于免疫化学发光等全自动分析仪对正常妊娠全程免疫及其它系统变化观察,R446.6
  4. 基于模糊区分矩阵的区间信息系统属性约简,O159
  5. 潜艇空间运动的控制问题研究,U674.76
  6. 面向关系数据库的数字水印技术研究,TP309.7
  7. 基于COCM的除草机视觉定位研究,TP391.41
  8. 最优分数阶PID控制器的设计与研究,TP13
  9. 基于数字全息图像的鲁棒数字水印技术研究,TP309.7
  10. 基于DIVA模型语音生成与获取的扰动研究,TN912.3
  11. 索穹顶结构几何拓扑布置的合理性,TU399
  12. 三羟基丙醛对两种酶抑制区域的混杂系统的鲁棒性与辨识,TQ923
  13. 基于分数阶傅立叶变换的工程图水印研究,TP309.7
  14. 卫星网络管理系统的鲁棒性和抗毁性研究,TN927.2
  15. 几类混沌系统的同步控制,O415.5
  16. 微型燃气轮机分数阶PI~λD~μ励磁控制器研究,TM921.5
  17. 球坐标系下时间分数阶热传导问题,O551.3
  18. 分数阶反应扩散方程解的定性研究,O241.7
  19. 柱坐标系下时间分数阶波扩散方程及分析,O241.82
  20. 分数阶Cable方程的高精度数值解法,O241.82
  21. 基于分数阶微积分的图像特征匹配的方法研究,TP391.41

中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
© 2012 www.xueweilunwen.com