[论文解读] Disturbance Observer based Control of Integrating Processes with Dead-Time using PD controller

Sujay D. Kadam|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Advanced Control Systems Design参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于设定时间、增益裕度和相位裕度规范的集成加时滞（IPDT）过程PD控制器整定方法，并结合扰动观测器以提升调节性能。该方法在控制信号能量和性能指标（如ISE和IAE）方面显著优于现有方法，实现了更高的控制效率与更强的扰动抑制能力。

ABSTRACT

The work presented here addresses the issue of tuning PD controllers for controlling integrating plus dead-time (IPDT) processes using settling time and gain and phase margin specifications. Tuning formulae are derived for PD controller being used for controlling IPDT processes. Simulations have been carried out to determine the effectiveness of the tuning formulae. Also, comparison between proposed and the other existing tuning methods with respect to performance indices, time domain specifications and the control effort expressed in terms of control signal energy has been done. Effects of gain margin and settling time specifications on process output responses have been discussed. A PD controller cannot account for load disturbances. So, a disturbance observer is suggested for use along with the PD controller. Regulatory and tracking responses are then compared with respect to performance indices and control effort.

研究动机与目标

• 解决具有较差稳定性裕度和时滞的集成加时滞（IPDT）过程PD控制器整定挑战。
• 通过在主控制器中避免使用积分作用，改用扰动观测器处理负载扰动，以减少控制努力。
• 通过有效估计和抑制扰动，提升调节性能，同时不增加控制信号能量。
• 基于频域规范（设定时间、增益裕度、相位裕度）提供系统化的整定程序。
• 在伺服与调节控制场景中，性能显著优于现有整定方法。

提出的方法

• 基于增益裕度（$A_m$）、相位裕度（$\phi_m$）和设定时间（$T_s$）作为设计规范，推导PD控制器的解析整定规则。
• 通过方程（9）和（12）建立控制器参数（$K_{c_{PD}}$、$T_{d_{PD}}$）与频域准则之间的关系，利用相位和增益穿越频率。
• 引入一个增益为$K_c$的扰动观测器，通过实际输出与模型输出之差来估计并抵消负载扰动。
• 采用基于模型的观测器结构，其中$\widehat{D}(s) = K_c[Y(s) - Y_M(s)]$，假设$G_M(s) = G_I(s)$以实现完美建模。
• 使用控制信号能量作为评估控制努力的指标，比较不同方法的性能。
• 将扰动观测器与PD控制器并联，以在保持原始性能的同时增强扰动抑制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于增益裕度、相位裕度和设定时间规范的PD控制器整定方法，能否在IPDT过程中实现性能提升？
• RQ2 与现有方法（Wang-Cluett、Sree-Chidambaram、Ali-Majhi）相比，该整定方法在时域响应和控制努力方面表现如何？
• RQ3 扰动观测器在不增加控制信号能量的前提下，能在多大程度上改善调节控制？
• RQ4 在固定相位裕度下，增益裕度或设定时间规范的变化如何影响闭环响应？
• RQ5 PD控制器与扰动观测器结合在伺服加调节控制场景中的综合性能如何？

主要发现

• 在伺服加调节控制中，所提PD整定方法的控制信号能量为211.4，显著低于Wang-Cluett方法（425.6）和Ali-Majhi方法（5743）。
• 在调节控制中，所提方法的ISE为0.03，IAE为1.002，优于Ali-Majhi方法（ISE: 1.259，IAE: 5.842）和Sree-Chidambaram方法（ISE: 1.4518，IAE: 6.526）。
• 扰动观测器在仅在扰动发生时起作用，可实现有效的扰动抑制，且额外控制努力极小。
• 该方法在保持所需相位和增益裕度的同时，实现了比现有方法更快的设定时间。
• 在伺服和调节控制场景中，所提方法的控制信号能量始终低于其他方法。
• 该方案对增益裕度和设定时间规范变化表现出鲁棒性，在固定相位裕度下具有可预测的响应行为。