设计参考信号对反馈控制追踪性能的影响

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动力学系统的反馈控制设计在工程实际中应用广泛,对该类问题的研究主要集中于对某一类系统或通用系统的控制设计方法的提出与改进。其中很多控制设计的评价都是通过跟踪控制的效果进行阐述的。控制系统的控制性能评价大概包含两种,一种是基于频域下的控制性能评价,主要有零频振幅比,谐振峰值,谐振频率,带宽等指标。另一种是通过时域中系统的控制变量追踪响应来分析控制性能,一般包含上升时间,峰值时间,超调量,稳态误差等多种评价指标,因为是通过时域的响应图直接反映控制效果,所以时域中的控制指标对于观察实际的追踪效果较为直观。值得注意的是,时域的这些评价指标是基于控制追踪信号为阶跃信号时提出的,所以阶跃信号一向被奉为经典追踪控制信号。但实际设计及应用过程中,参考信号多种多样,设计参考信号的选取对于控制设计性能的影响仍有待考察。  本文针对该类问题进行动力学系统的反馈控制设计,总结以往研究论文中出现的控制追踪信号,在该研究设计过程中选取三种不同类型的设计参考信号,分别为经典的阶跃参考信号,斜坡参考信号,周期参考信号。为了在设计及后期分析过程中的公平性,采用多目标粒子群优化算法(MOPSO)对反馈控制设计进行多目标定义及后期控制器集合的控制性能整体分析。选用的动力学系统有两个,单输入-单输出系统和单输入-多输出系统,利用前者进行初期的数值分析,后者进行数值及实验分析。  在设计过程中,针对不同设计参考信号,多目标的定义会有所差异,例如,利用阶跃参考信号设计时多目标选取峰值时间,超调量,稳态时间和误差项,而在利用斜坡参考信号和周期参考信号进行控制设计时,选取误差项和能量项,这是由参考信号的性质差异所致。两种动力学控制系统均采用PID反馈控制律,将不同优化控制设计所得控制器的集合进行相同条件下的追踪控制应用,对比观察控制器集合的整体性能表现。并在多组控制设计中分别选取适当的代表性控制器,进行追踪控制应用,对比系统的输入输出时间响应。研究结果表明设计参考信号的不同的确会影响反馈控制设计的追踪性能。
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