虛擬參考反饋控制在太陽(yáng)能干燥溫度控制中的應(yīng)用

程鵬 高爽陶 桂洪 宋贄

【摘要】本文通過虛擬參考反饋整定方法（Virtualreferencefeedbacktuning）研究了一種熱能太陽(yáng)能箱式干燥器的PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)問題.虛擬參考反饋整定方法是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，只需要系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據(jù)，不需要建立系統(tǒng)模型的控制器設(shè)計(jì)方法，仿真結(jié)果表明，該方法能夠保證對(duì)太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)對(duì)參考模型進(jìn)行良好的跟隨，滿足控制目標(biāo)要求.

【關(guān)鍵詞】虛擬參考反饋整定；PID控制器；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；太陽(yáng)能干燥；溫度控制

【基金項(xiàng)目】遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2014224）

1.引言

熱能輔助型箱式太陽(yáng)能干燥裝置采用中空陽(yáng)光板作為箱式太陽(yáng)能干燥器的蓋板及側(cè)板，工藝簡(jiǎn)單、成本低、熱能效率較高、移動(dòng)靈活.輔助以燃煤熱風(fēng)爐循環(huán)供熱，干燥器可以在一年四季使用.但是因?yàn)榄h(huán)境溫度、空氣對(duì)流、日照等因素的變化仍對(duì)整個(gè)箱體的熱工參數(shù)有較大的影響，箱內(nèi)溫度控制呈現(xiàn)非線性、大滯后、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，傳統(tǒng)PID溫濕度控制器控耗費(fèi)人工，并且難以達(dá)到物料干燥的溫濕度要求指標(biāo).本文中采用的虛擬參考反饋整定設(shè)計(jì)方法是由Guardabassi和Savaresi于2000年提出，是一種利用被控對(duì)象的一組輸入輸出數(shù)據(jù)直接辨識(shí)（非迭代）控制器參數(shù)的方法，無論是線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它是一種直接基于數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法，為解決非線性系統(tǒng)的控制問題提供了一種簡(jiǎn)便的方法.

2.虛擬參考整定方法原理

為了研究的方便，這里考慮線性系統(tǒng)的情況，閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并假設(shè)被控系統(tǒng)P（z-1）開環(huán)穩(wěn)定，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器為C（z-1，ρ），其中ρ=[ρ1，ρ2，…，ρn]T為控制器整定參數(shù).

給定了一組輸入輸出數(shù)據(jù){u（t），y（t）}t=1，…，N，其中N為采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，因?yàn)椴豢紤]被控系統(tǒng)的模型，所以虛擬參考反饋整定方法引入了一個(gè)虛擬的參考信號(hào)（t），滿足y（t）=M（z-1）（t），u（t）=C（z-1，ρ）e（t）=C（z-1，ρ）（（t）-y（t）），其中M（z-1）為期望的閉環(huán)性能.

傳統(tǒng)的參考控制的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為

JNVR=1N∑Nt=1（u（t）-C（z-1，ρ）e（t））2.

如果C（z-1，ρ）=βT（z-1）ρ，β（z-1）=[β1（z-1），β2（z-1），…，βn（z-1）]T，則JNVR=1N∑Nt=1（u（t）-φT（t）ρ）2，

其中，φ（t）=β（z-1）e（t），采用最小二乘法，得參數(shù)向量N=∑Nt=1φ（t）φT（t）-1∑Nt=1φ（t）u（t）.

3.系統(tǒng)仿真

選取的仿真被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為P（z-1）=0.6z-11+0.1z-1，參考系統(tǒng)性能傳遞函數(shù)為M（z-1）=0.61-0.4z-1，采用常規(guī)PID控制器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單位階躍響應(yīng)的結(jié)果如圖2.

仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制器具有良好的的匹配性與參考系統(tǒng).

圖2參考系統(tǒng)與被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

4.結(jié)語(yǔ)

本文討論了VRFT數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的原理和特點(diǎn)，并將其應(yīng)用太陽(yáng)能干燥溫度控制中的應(yīng)用，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：VRFT算法不需要被控系統(tǒng)的辨識(shí)，算法簡(jiǎn)單，參數(shù)整定效果好，且易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)有更多的自由度.

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