收藏本站
《湖南大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

面向鲁棒运动控制系统的分数阶PID控制器设计、自整定及实验研究

金永顺  
【摘要】:随着分数阶微积分理论的发展,越来越多的人关注这一领域的实际应用问题。现有大量文献提到,利用分数阶微积分能够对许多事物进行更精确的数学建模,这些分析结论在很大程度上推动了分数阶理论在工程应用方面的发展。实际上自然界中许多系统特性用分数阶微积分来描述更为简单并更能真实的反映事物的本质规律。由于分数阶微积分是一种很好的应用于工程的数学工具,因此许多研究者开始将分数阶微积分的应用向各个领域进行延伸,其中在控制领域的研究是比较富有成效的。许多文献提出了基于分数阶微积分的控制器数学模型及结构,但是对比整数阶控制器的广泛应用,分数阶控制器的发展仍处于起步状态。值得注意的是,FOPID(Fractional Order Proportion Integration Differentiation)控制器的诞生,为分数阶控制器的应用开辟了一个新的领域。FOPID控制器结构上的特点使得其具有传统整数阶PID控制器无法比拟的优势。关于FOPID控制器参数整定有一些学者进行过研究,但是这方面的研究还存在许多未解决的问题或不足,如缺乏系统性的控制器参数整定方法、整定计算过程复杂、缺乏与传统控制器对比优势研究等一系列的问题。因此,开展对FOPID控制器相关问题的研究以及探索其在工程方面的实际应用是一项非常有意义的工作。 控制理论中有一个重要的课题,也是一个在控制器设计时需要考虑的问题——系统鲁棒性。在现实的控制问题中,系统特性或参数的变化常常是不可避免的,因为系统在运行过程中受到环境等因素的影响将会引起系统参数的飘移。为防止这种参数摄动导致的系统性能改变,控制器的鲁棒性设计就成为了一个重要的研究课题,而FOPID控制器阶数的取值特点使得其在鲁棒性设计时具有比传统整数阶PID控制器更为灵活的优点。系统不单可以满足稳定性要求,同时还可以满足系统参数鲁棒性设计的需求。因此,本文对控制系统中被控对象的系统增益以及时间常数的鲁棒性进行了研究,提出了一系列针对系统参数鲁棒性的分数阶控制器整定方法,并通过电机等电气工程的实际应用方面的分析进行了验证。 本文的贡献主要是利用FOPID控制器的结构特点,提出了针对不同控制对象的FOPID控制器参数鲁棒性的整定方法。同时根据分数阶控制系统鲁棒性设计方法,提出了一种基于FOPID控制的参数自整定设计算法。通过仿真和实验,验证了本文所提出方法的正确性。 本文的具体研究成果包括: (1)设计了一种针对系统增益鲁棒性的FOPID控制器参数整定公式。针对电机位置伺服系统模型以及速度伺服系统模型,系统地提出了FOPD、FO[PD]、FOPI、FO[PI]的整定方法。通过系统仿真,验证了所提方法的正确性,并证明了在同等环境下分数阶控制器的控制性能优于传统的整数阶PID控制器。 (2)第一次提出了一种基于系统时间常数鲁棒性的FO[PD]参数整定算法。对整定方程的数值计算方法进行了深入的研究,给出了整定方程组解的存在性的约束条件。另外,为了简化计算方法以及实现在线计算,本文还提出了一种快速在线计算参数的方法。系统仿真和实验研究的结果证明了这种整定方法的有效性和正确性。 (3)根据未知的、开环稳定的最小相位系统,提出了具有iso-damping(等阻尼)特性的FOPI、FO[PI]、FOPD、FO[PD]四种分数阶控制器的自整定方法。在未知被控对象的前提下设计了一种继电反馈测试实验,从而实现了该方法在控制领域的实际应用。 (4)根据FOPID控制器的性能特点,开拓了分数阶控制器的应用空间,讨论了FOPID控制器整定算法在同步追踪控制系统中的应用。通过仿真研究,证明了该方法能很好地实现多个系统的同步追踪。 (5)首次在基于LabVIEW的实验平台上实现了FOPID控制器的实验研究,进一步在此实验平台上验证了分数阶PID控制器的性能特点。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP273

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 庄德军;喻凡;林逸;;基于分数阶PD~μ控制器的车辆方向控制[J];上海交通大学学报;2007年02期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李岩;分数阶微积分及其在粘弹性材料和控制理论中的应用[D];山东大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 曹娇;分数阶控制系统与新型控制器设计[D];北京化工大学;2008年
2 刘畅;固体氧化物燃料电池电特性的分数阶建模和控制的研究[D];华中科技大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 成江晨;白凌;;超临界CO_2萃取芫荽籽油的数学模型[J];安徽农业科学;2011年05期
2 林继成;何龙庆;石冰;;多自由度系统的微振动的SIMULINK仿真建模[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2005年04期
3 宋占岭;;基于区间数特征向量法(IEM)的主要防御方向选择问题[J];兵工自动化;2009年04期
4 沈京湘;王鹤;郎刚;陈平川;;区域高程异常内插方法研究[J];北京测绘;2008年02期
5 郑红;杨圣宏;;NBA常规赛同部不同区的球队的比赛安排[J];北京石油化工学院学报;2010年03期
6 陈向华;赵国忠;;非线性单摆运动的数值解[J];内蒙古科技大学学报;2007年01期
7 于凤敏;于南翔;吴慧莲;;MATLAB在工程数学教学中的应用[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2007年S1期
8 汪纪锋;肖河;;分数阶全维状态观测器设计[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2009年06期
9 张林泉;;基于MATLAB的高等数学数据可视化应用研究[J];长春理工大学学报;2010年05期
10 沙元霞;郭爽;;应用Matlab处理建模过程中难点对策研究[J];长春师范学院学报;2012年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡轶超;李东海;;分数阶系统的PID控制器整定[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
2 李月佳;;单泡声空化仿真分析[A];中国声学学会第九届青年学术会议论文集[C];2011年
3 王远隆;;BP神经网络控制应用的基本问题[A];2010年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会论文集[C];2010年
4 王帅军;贺岚;;摩托车汽油机微机控制点火系统研究——闭合角时间控制研究[A];第七届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集[C];2010年
5 郑海明;唐贵基;;傅立叶变换滤波应用于差分吸收光谱法的研究[A];2009中国控制与决策会议论文集(2)[C];2009年
6 陈欣扬;;基于快速倾斜镜的动态光束定向仪设计与测试[A];第十九届测控、计量、仪器仪表学术年会(MCMI'2009)论文集[C];2009年
7 郎斌斌;叶静;崔扬;;根据实测数据获取联网风电机组风速-功率特性曲线的研究[A];第十一届全国电工数学学术年会论文集[C];2007年
8 陈梅;唐加福;宫俊;曾志军;;均值控制图的统计特性及检出力的分析与探讨[A];第四届中国不确定系统年会论文集[C];2006年
9 李润生;唐加福;;AHP和模糊综合评判在电信企业绩效评价中的应用[A];第四届中国不确定系统年会论文集[C];2006年
10 王启志;王晓霞;;基于粗糙集理论的磨削烧伤故障识别[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集(二)[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 秦效英;化学、电化学反应工程数学模型的Adomian分解法求解[D];太原理工大学;2010年
2 朱黎辉;电活性介电弹性体膜型材料电致应变特性的研究[D];吉林大学;2011年
3 王晓燕;分数阶控制系统分析及应用研究[D];华北电力大学(北京);2011年
4 毛虎平;基于仿真模型的动态响应优化算法研究[D];华中科技大学;2011年
5 何治斌;船舶空调系统的建模与仿真[D];大连海事大学;2011年
6 林林;生物组织光学断层成像与光学参数提取方法研究[D];暨南大学;2011年
7 秦文展;露天铝土矿生态恢复过程中生物多样性研究[D];中南大学;2011年
8 郑仲浪;重载车辆作用下沥青路面层间力学行为研究[D];长安大学;2010年
9 田大可;模块化空间可展开天线支撑桁架设计与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 刘艳芹;一类分数阶非线性种群扩散模型的研究[D];天津大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘光;油菜小区育种带式排种器的设计与试验研究[D];华中农业大学;2010年
2 刘静娜;逆向设计中基于散乱点的模型重构与误差分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 郭磊;斜齿轮多间隙非线性耦合系统动力学研究[D];大连理工大学;2010年
4 张蓉晖;高校图书馆外文数据库采购资金的线性优化配置[D];湘潭大学;2010年
5 黄杭州;几类矩阵差分方程的解研究[D];广西民族大学;2010年
6 刘雷;江西省能源供需缺口预测及对策研究[D];南昌大学;2010年
7 王静;基于产业结构优化视角的江西农村剩余劳动力转移研究[D];南昌大学;2010年
8 李小菊;水泥搅拌土植入工形桩围护墙在粉砂土层基坑中的应用[D];浙江大学;2011年
9 陈天麟;数字化供水辅助决策系统的设计与实现[D];电子科技大学;2010年
10 胡云波;圆锥破碎机腔型的优化设计研究[D];昆明理工大学;2009年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 许兴燕,夏长荣,彭定坤,孟广耀;中低温固体氧化物燃料电池研制[J];电池;2004年03期
2 霍海波;朱新坚;曹广益;;SOFC建模与控制策略的研究现状与发展[J];电源技术;2007年10期
3 金以慧;第二讲 生产过程的先进控制[J];化工自动化及仪表;1997年04期
4 江义,李文钊,王世忠;高温固体氧化物燃料电池(SOFC)进展[J];化学进展;1997年04期
5 王振滨,曹广益,朱新坚;分数阶线性系统的内部和外部稳定性研究[J];控制与决策;2004年10期
6 王振滨,曹广益,曾庆山,朱新坚;分数阶PID控制器及其数字实现[J];上海交通大学学报;2004年04期
7 曹军义,梁晋,曹秉刚;基于分数阶微积分的模糊分数阶控制器研究[J];西安交通大学学报;2005年11期
8 张隆阁,李俊民,陈国培;稳定的分数维模型参考自适应系统的设计[J];西安电子科技大学学报;2005年05期
9 王振滨,曹广益;分数微积分的两种系统建模方法[J];系统仿真学报;2004年04期
10 李大字;刘展;靳其兵;曹柳林;;分数阶控制器参数整定策略研究[J];系统仿真学报;2007年19期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 姚奎;分形函数与分数阶微积分:构造性方法的应用[D];浙江大学;2003年
2 张邦楚;基于分数阶微积分的飞航式导弹控制系统设计方法研究[D];南京理工大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 刘展;分数阶微积分系统控制方案设计及参数整定[D];北京化工大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 薛凌云;一种基于过程辨识的PID参数自整定方法[J];机电工程;2003年03期
2 程秀霞;田一鸣;黄友锐;;蚁群算法自整定PID控制器的研究与设计[J];工业控制计算机;2008年12期
3 朱少华;李智;;基于模糊自整定PID的锅炉汽包水位控制研究[J];沈阳工程学院学报(自然科学版);2010年03期
4 刘绍鼎;樊立萍;姜长洪;;基于模糊规则参数自整定PID控制器的设计[J];微计算机信息;2007年10期
5 丛申;王孟效;汤伟;孙丽霞;;自整定PID控制器在流浆箱的应用[J];微计算机信息;2007年22期
6 李晶麟;郝玉成;石春鹏;;挤出机压力控制PID参数自整定方法的研究[J];制造业自动化;2006年09期
7 许焕新;赵国齐;;一种基于神经网络的解耦控制方法[J];仪器仪表用户;2007年01期
8 邹彩梅;;PID自整定方法研究[J];中小企业管理与科技(上旬刊);2008年07期
9 郝丽娜;张国钧;;基于BP神经网络的参数自整定PID控制器仿真研究[J];电脑开发与应用;2008年03期
10 汤志宝;郭兴旺;曾超;;基于ARM的温度控制系统的设计[J];微计算机信息;2008年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李昊;孔祥东;;平整机轧制力控制系统神经网络自整定PID控制策略研究[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年
2 胡轶超;李东海;;分数阶系统的PID控制器整定[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
3 李静;胡云安;;导弹滚转通道PID控制器参数迭代学习调节方案设计[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
4 刘杰;何云峰;史自强;赵文君;;基于模糊自整定PID参数的冷库温湿度控制[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
5 黄学海;;干熄焦除氧器控制系统的PID参数整定[A];2010年河北省冶金学会炼铁技术暨学术年会论文集[C];2010年
6 赵永国;刘广亮;吴昊;李松源;;智能在线式手持PID参数整定仪的设计与软件开发[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
7 周鑫;陈宗海;;基于模糊逻辑的PID参数整定及其仿真研究[A];'99系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];1999年
8 唐铭韡;钱麟;马成喜;王灵;费敏锐;;基于DCS的PID自整定方法在超超临界机组冷却系统中的应用[A];2010中国仪器仪表学术、产业大会(论文集1)[C];2010年
9 周泽畅;黄道平;姜海蓉;安娟;;基于差分进化算法的PID参数整定在XY平台跟踪控制中的应用[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年
10 李俊丽;张光辉;祝晓红;;新型智能变增益单神经元PID控制算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 安徽 陈晓军;PID码引起的奇特现象[N];电子报;2009年
2 金池;PIDA:今年全球光盘驱动器需求1.88亿台[N];电子资讯时报;2002年
3 抚顺石化分公司储运厂鲅鱼圈信息站,辽宁 营口鲅鱼圈 孙仁斌 张英;施耐德Twido PLC在成品油长输管线中的应用[N];通信产业报;2007年
4 ;高压变频调速关键控制技术及其发展趋势[N];中国电力报;2008年
5 安连祥 刘新艳 刘永刚 宴俊秋;基于自适应张力控制系统研究与仿真[N];世界金属导报;2009年
6 周敢普;超大型充气机械搅拌式浮选机研制成功[N];科技日报;2008年
7 本报记者 唐堂;志高挑起变频空调大战[N];中国质量报;2008年
8 安徽 罗塘中学微机室;浅谈农远IP接收系统的维护[N];电子报;2009年
9 吴世湘;亚洲光纤连接器工业潜力巨大[N];中国电子报;2000年
10 金池;CD-R光盘片需求上涨[N];电子资讯时报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 金永顺;面向鲁棒运动控制系统的分数阶PID控制器设计、自整定及实验研究[D];湖南大学;2011年
2 秦昌茂;高超声速飞行器分数阶PID及自抗扰控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
3 李庆春;新型PID模糊控制器的结构分析及应用研究[D];中南大学;2010年
4 王瑞萍;基于分数阶控制器的永磁同步电动机速度控制研究[D];华南理工大学;2012年
5 段小刚;具有时空耦合特征的模糊逻辑控制系统及其应用[D];中南大学;2010年
6 梁涛年;分数阶PID控制器及参数不确定分数阶系统稳定域分析[D];西安电子科技大学;2011年
7 罗运辉;非线性多变量热工过程多模型控制及其应用研究[D];山东大学;2011年
8 朱金改;PID1脂肪组织特异性转基因小鼠的构建及表型分析[D];南京医科大学;2012年
9 杨津灵;灰色模糊PID算法在煤泥水絮凝沉降过程控制中的应用研究[D];太原理工大学;2012年
10 赵永国;过程辨识与PID自整定理论及其在暖通空调系统中的应用研究[D];山东大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘玉贞;无超调PID控制器的设计[D];杭州电子科技大学;2011年
2 徐展;PID控制器性能评价[D];华北电力大学(北京);2010年
3 郑晓华;电液伺服控制系统的研究与应用[D];西安科技大学;2010年
4 孙涛;网络控制系统神经元自整定PID控制器设计与仿真研究[D];东北大学;2008年
5 林芳;动态可重构PID控制器的设计[D];西安电子科技大学;2010年
6 吴海燕;基于AVR单片机的自整定PID控制器的设计[D];北方工业大学;2010年
7 丁杭成;船舶航向智能PID控制算法研究[D];大连海事大学;2010年
8 王利宁;模糊PID控制算法在电动压力发生器开发中的应用[D];吉林大学;2010年
9 徐延鹏;基于模糊-PID复合的二甲醚合成温温控制研究[D];华中科技大学;2009年
10 郭晓倩;网络控制系统的时延分析及PID控制器的设计[D];北京交通大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026