虚拟参考反馈控制在太阳能干燥温度控制中的应用

程鹏 高爽陶 桂洪 宋贽

【摘要】本文通过虚拟参考反馈整定方法（Virtualreferencefeedbacktuning）研究了一种热能太阳能箱式干燥器的PID控制器参数设计问题.虚拟参考反馈整定方法是一种数据驱动，只需要系统的输入/输出数据，不需要建立系统模型的控制器设计方法，仿真结果表明，该方法能够保证对太阳能干燥系统对参考模型进行良好的跟随，满足控制目标要求.

【关键词】虚拟参考反馈整定；PID控制器；数据驱动；太阳能干燥；温度控制

【基金项目】辽宁省大学生创新创业训练计划（项目编号：2014224）

1.引言

热能辅助型箱式太阳能干燥装置采用中空阳光板作为箱式太阳能干燥器的盖板及侧板，工艺简单、成本低、热能效率较高、移动灵活.辅助以燃煤热风炉循环供热，干燥器可以在一年四季使用.但是因为环境温度、空气对流、日照等因素的变化仍对整个箱体的热工参数有较大的影响，箱内温度控制呈现非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，传统PID温湿度控制器控耗费人工，并且难以达到物料干燥的温湿度要求指标.本文中采用的虚拟参考反馈整定设计方法是由Guardabassi和Savaresi于2000年提出，是一种利用被控对象的一组输入输出数据直接辨识（非迭代）控制器参数的方法，无论是线性系统、非线性系统的控制器设计领域，它是一种直接基于数据的设计方法，为解决非线性系统的控制问题提供了一种简便的方法.

2.虚拟参考整定方法原理

为了研究的方便，这里考虑线性系统的情况，闭环系统结构见图1.

图1闭环控制系统结构

并假设被控系统P（z-1）开环稳定，闭环控制系统的控制器为C（z-1，ρ），其中ρ=[ρ1，ρ2，…，ρn]T为控制器整定参数.

给定了一组输入输出数据{u（t），y（t）}t=1，…，N，其中N为采集数据的个数，因为不考虑被控系统的模型，所以虚拟参考反馈整定方法引入了一个虚拟的参考信号（t），满足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）为期望的闭环性能.

传统的参考控制的目标函数转化为

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，则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，得參数向量N=∑Nt=1φ（t）φT（t）-1∑Nt=1φ（t）u（t）.

3.系统仿真

选取的仿真被控对象的传递函数为P（z-1）=0.6z-11+0.1z-1，参考系统性能传递函数为M（z-1）=0.61-0.4z-1，采用常规PID控制器，对系统进行单位阶跃响应的结果如图2.

仿真结果表明设计的控制器具有良好的的匹配性与参考系统.

图2参考系统与被控系统的阶跃响应

4.结语

本文讨论了VRFT数据驱动方法的原理和特点，并将其应用太阳能干燥温度控制中的应用，仿真试验结果表明：VRFT算法不需要被控系统的辨识，算法简单，参数整定效果好，且易于实现，对控制器的设计有更多的自由度.

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