虛擬參考反饋控制在太陽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能箱式干燥器的PID控制器參數(shù)設(shè)計問題.虛擬參考反饋整定方法是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動，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)計方法，仿真結(jié)果表明，該方法能夠保證對太陽能干燥系統(tǒng)對參考模型進(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；太陽能干燥；溫度控制

【基金項目】遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（項目編號：2014224）

1.引言

熱能輔助型箱式太陽能干燥裝置采用中空陽光板作為箱式太陽能干燥器的蓋板及側(cè)板，工藝簡單、成本低、熱能效率較高、移動靈活.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、空氣對流、日照等因素的變化仍對整個箱體的熱工參數(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)計方法是由Guardabassi和Savaresi于2000年提出，是一種利用被控對象的一組輸入輸出數(shù)據(jù)直接辨識（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)計領(lǐng)域，它是一種直接基于數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，為解決非線性系統(tǒng)的控制問題提供了一種簡便的方法.

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虛擬的參考信號（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

本文討論了VRFT數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的原理和特點(diǎn)，并將其應(yīng)用太陽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，算法簡單，參數(shù)整定效果好，且易于實(shí)現(xiàn)，對控制器的設(shè)計有更多的自由度.

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