分数阶PIλ控制
分数阶 PIλDμ控制器设计及应用实验
D e s i g n a n d a p p l i c a t i o n e x p e r i me n t o f f r a c t i o n a l o r d e r P I D c o n t r o l l e r
具 有 很 好 的控 制 特性 , 结 构 化 文 本 编程 的方 法 符 合 I E C 6 1 1 3 4国 际标 准 , 方便 可行 , 适用 性强 , 可 以推 广 到 实
际生产过程 中 , 具 有 一 定 的工 程 应 用 价 值 。
关键词 : 分数阶 P I 控 制 器 ;有 限记 忆 法 ;结 构 化 文 本 ;R S L o g i x 5 0 0 0
c h a r a c t e r i s t i c s i n b i g i n e r t i a l s y s t e m . I n d e e d t h e me t h o d o f t h e s t r u c t u r e d t e x t p r o g r a mmi n g a c c o r d s wi t h t h e i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d I EC 6 1 1 3 1 , wh i c h i s c o n v e n i e n t a n d p r a c t i c a l , a n d h a s f u l l y i l l u s t r a t e d t h a t t h e f r a c t i o n a l o r d e r P I D c o n t r o l l e r h a s a c e r t a i n e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n v a l u e a n d c a n b e a p p l i e d t o t h e a c t u a l p r o d u c t i o n . Ke y wo r d s :f r a c t i o n a l o r d e r P I D c o n t r o l l e r ;l i mi t e d me mo r y d i g i t a l me t h o d: s t r u c t u r e d t e x t l a n g u a g e :
分数阶PIλDμ控制器的仿真研究
k=0
由此可得分数阶 PI λ D µ 控制器的传递函数为
G fc ( s ) = K p + K i s − λ + K d s µ
(7)
1.3 分数阶控制系统
如果用分数阶的微积分方程能更好地描述系统特性 这 样的系统称为分数阶系统 如果被控系统是用分数阶数学模 型去描述的
言
数阶控制器的数学描述 然后根据闭环系统的极点从 S 平面 映射到 W
PID 控制是控制系统中应用最广泛 技术最成熟的控制 方法 实际运行经验及理论分析都充分证明 PID 控制对许 易于操作等特点 多工业对象进行控制时 都能在现场获得直观满意的结果 PID 控制器由于其结构简单 鲁棒性强 中 具有很强的生命力 都是整数阶的 被广泛地应用于冶金 化工 电力 轻工和机械等工业过程 常规的 PID 控制器的微分和积分 对其的研究也比较深入[1]
a
D f ( t ) = lim h
h→0
α t
−α
∑ ( −1)
j=0
t −a ] h
j
α j f ( t − jh )
(2)
其中 [ x ] 表示 x 的整数部分
α j
为二项式系数
万方数据
• 466 • (2) Riemann-PI λ D µ 控制
2.1 分数阶 PI λ D µ 控制
由 式 (5) 和 (7) 可 知 G 时
fc
闭环系统的特征多项式为
当 λ =0 和 µ =0 时
P(s) = an sαn + an−1sαn−1 + ⋅ ⋅ ⋅ + a1sα1 + a0 sα0 = ∑ai sαi
控制系统的分数阶建模及分数阶PI^λD^μ控制器设计
其进 行 近似 处理 , 由于建模 误 差过 大影 响所描 述 系统 的准确 性 和 控 制性 能。本 文 给 出 了具 有 延迟
环 节 的新型 非整数 阶 类一 阶 系统模 型 ( n o n—i n t e g e r o r d e r p l u s t i me d e l a y , N I O P T D) , 并 分别 设 计 了 某 高阶 系统 降 阶得 到 的传 统模 型 与新型 类一 阶 系统 近似 模 型 , 对 比分 析 新 型 类一 阶 系统 模 型 的优
第l 8卷
第 3期
电 机 与 控 制 学 报
El e c t r i C Mac hi nes a nd Co nt r ol
Vo 1 .1 8 No . 3 Ma r .2 01 4
2 0 1 4年 3月
控 制 系统 的分 数 阶建 模 及 分 数 阶 P I A
Ab s t r a c t : F o r t h e d e l a y p e r f o r ma n c e o f t h e h i g h e r o r d e r d y n a mi c s y s t e m mo d e l i n t h e p r o c e s s o f s y s t e m a — n a l y s i s a n d d e s i g n,f i r s t o r s e c o n d o r d e r p l u s t i me d e l a y s y s t e m mo d e l a r e u s e d t o ma k e a p p r o x i ma t i o n s f o r i t ,b u t t h e d e s c i r b e d s y s t e m a c c u r a c y a n d c o n t r o l p e f r o m a r n c e a r e r e d u c e d b e c a u s e o f o v e r s i z e e r r o r o f
分数阶 PIλDμ控制器设计及应用实验
分数阶PIλDμ控制器设计及应用实验姜萍;王丽颖;马霄;孙凌燕【摘要】按照有限记忆数字实现法,利用RSLogix5000中结构化文本语言,设计了以CompactLogix控制器为核心的分数阶PIλDμ双容水箱液位控制实验平台,并完成了分数阶PIλDμ控制器在罗克韦尔PLC平台上的控制实验,解决了分数阶PIλDμ控制器的工程实现问题。
结果表明,分数阶PIλDμ控制器在惯性比较大的系统中具有很好的控制特性,结构化文本编程的方法符合IEC 61134国际标准,方便可行,适用性强,可以推广到实际生产过程中,具有一定的工程应用价值。
%The fractional order PIλDμ control experiment platform is used by the limited memory digital method to design a liquid level control of double liquid tank system of fractional order PIλDμ with compact Logix controller with the structured text language in RSLogix5000 ,the simulation and experiment of fractional order PIλDμ are carried on the Rockwell PLC platform ,it solves the engineering implementation issue of fractional order PIλ Dμ controller .The result shows that the fractional order PIλ Dμ controller has good control characteristics in big inertial system .Indeed the method of the structured text programming accords with the international standard IEC 61131 ,which is convenient and practical ,and has fully illustrated that the fractional order PIλDμ controller has a certain engineering application value and can be applied to the actual production .【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】4页(P87-90)【关键词】分数阶PIλDμ控制器;有限记忆法;结构化文本;RSLogix 5000【作者】姜萍;王丽颖;马霄;孙凌燕【作者单位】河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002; 河北大学罗克韦尔自动化实验室,河北保定 071002;河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002;河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002;河北大学电子信息工程学院,河北保定 071002【正文语种】中文【中图分类】TP273分数阶微积分理论建立至今已经有300 多年的历史[1],但早期主要侧重于理论研究。
DCDC变换器分数阶PI^λ控制与稳定性分析研究
分数阶 PIλDμ 控制器在传统整数阶 PID 控制器 的三个可控参数基础上新引入了两个可控参数,分 别是积分阶次 λ 和微分阶次 μ,其控制器框图如图 1 所示。
图 1 分数阶 PIλ Dμ 控制器框图 Fig. 1 Block diagram of fractional-order PIλ Dμ controller
第 38 卷 第 5 期 2019 年 5 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 38, No. 5 May 2019
DC-DC 变换器分数阶 PIλ 控制与稳定性分析研究
张晓超1, 李 虹1, 苏文哲1, 张 波2, 赵洋洋1, 刘 晨1
由式(1)可知,当 λ = μ = 0 时,即为 P 控制器;当
λ = 1,μ = 0 时,即为传统整数阶 PI 控制器;当 λ = 0,
DOI: 10. 12067 / ATEEE1903015 文章编号: 1003-3076(2019)05-0021-11 中图分类号: TM46
1 引言
DC-DC 变换器可将固定的直流输入电压变换 成所需的直流输出电压, 被广泛应用于工业仪器仪 表、军事、航天等领域[1] 。 如果 DC-DC 变换器的控 制环节设计不够合理,其受到外部干扰时会导致变 换器的输出不再满足性能指标,从而给系统造成一 定危害,甚至使系统崩溃。 为了提高 DC-DC 变换器 输出的动态和稳态性能,使系统具有良好的带负载 能力及抗干扰性能,控制方法和参数的选择非常重 要[2] 。 在 DC-DC 变换器中,Buck 变换器是最具代 表性和最常见的拓扑结构之一,所以本文以 Buck 变 换器为例对 DC-DC 变换器的分数阶 PIλ 控制和稳 定性进行了研究。
分数阶参数不确定系统的PIλ控制器
分数阶参数不确定系统的PIλ控制器梁涛年;陈建军【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2011(028)003【摘要】利用求解分数阶参数不确定系统稳定域的方法,设计了使分数阶参数不确定系统具有鲁棒性的分数阶PIλ控制器.首先采用Kharitonov理论,将分数阶参数不确定系统分解成若干个参数确定的子系统,然后用D分解方法分别求出在PIλ控制器的控制下,使各个子系统都取得较大稳定域的参数入值.再采用此λ值构建PIλ控制器并计算各个子系统的稳定域.各个子系统稳定域的交集即为参数不确定系统在PIλ控制器控制下的稳定域.同时证明了所构建的PIλ控制器能稳定整个参数不确定系统组.最后在稳定域内取控制器参数值,便构成了所设计的PIλ控制器.文中采用实例对此设计方法进行验证,并用所构建的PIλ控制器对参数不确定系统组的各个子系统进行阶跃响应分析,结果表明PIλ控制器对参数不确定系统具有较强的鲁棒性.%The paper presents a method for designing the robust fractional order PIλ controller by computing the stability region of the fractional order system with uncertain parameter.Firstly, the Kharitonov theorem is adopted to decompose the original fractional order system with uncertain parameters into several subsystems with parametercertainties.Secondly,the D-decomposition technique is applied to compute the stability region o f each subsystem to determine the parameter λ value which uniformly ensure a bigger stability region for all subsystem.Thirdly, with the parameter λ value, we design a fractional order PIλ controller foreach subsystem and computer its stability region.The intersection of the obtained stability regions is considered the stability region of the original system under the control of the designed PIλ controller.This paper proves that the designed PIλ controller stabilizes the original fractional order system wi th uncertain parameters.Finally, the fractional order PIλ controller is constructed based on the control parameters in the stability region.The proposed method is illustrated by an example.The step response of each subsystem is analyzed when using this PIλ controller.The result shows that fractional order PIλ controller has stronger robustness for the fractional order system with uncertain parameters.【总页数】7页(P400-406)【作者】梁涛年;陈建军【作者单位】西安电子科技大学,机电工程学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学,机电工程学院,陕西,西安,710071【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.分数阶PIλDμ控制器参数λ和μ分析 [J], 梁涛年;陈建军;尚保卫;王妍2.分数阶PIλDμ控制器数字实现与参数优化 [J], 郑翠;赵慧;蒋林;李苑3.基于敏感传递函数的分数阶PIλ控制器的参数整定 [J], 杨征颖;王德进;史万祺4.基于BP神经网络的分数阶PIαDβ控制器参数整定研究 [J], 那景童;徐驰;5.基于人工鱼群算法的分数阶PIλ控制器参数整定 [J], 张学典;王富彦;秦晓飞因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
分数阶PIλDμ控制器的参数对系统性能的影响
分数阶PIλDμ控制器的参数对系统性能的影响严慧于盛林李远禄(南京航空航天大学自动化学院,南京市210016)摘要:分数阶PIλDμ控制器比传统整数阶PID器多了两个可调参数,微分阶数μ与积分阶数λ,所以它的设计更加灵活,应用更加广泛。
分数阶PIλDμ控制器中的三个参数Kp,Ki和Kd与整数阶PID器的参数相同,它们在两个控制器中的作用也相同;分数阶PIλDμ控制器中的参数μ,λ的大小分别决定了控制器微分作用与积分作用的强弱。
本文研究了分数阶PIλDμ控制器每个参数变化对分数阶系统的影响,仿真结果表明,参数μ与λ分别主要影响系统的超调和影响系统的稳态精度。
关键字:分数阶PIλDμ控制器;参数变化;分数阶控制系统Influence of F ractional-order PIλDμController’s Parameters onSystem PerformanceYa,Yu Sheng-ling,Li Yuan-lu(Automation College in NanJing University of Aeronautics and Astronautics, NanJing 210016) Abstract: Fractional-order PIλDμcontroller has two more adjustable parameters, differential order μand integral order λ, so it can be designed flexibly can be applied widely. The three parameters, Kp,Ki and Kd of fractional-order PIλDμcontroller are same as the parameters of integer-order PID controller, and the three parameters do the same effect in both controllers. The value of another parameters, μand λof fractional-order PIλDμcontroller decide the effect of differential and integral. In this paper, the influence of the changes of fractional-order PIλDμcontroller’s parameters and fractional-order controlled system’s parameters on performances of fractional-order control system is researched. The simulation outcomes verify that, parametersμandλaffects the over regulation of the system and the steady precision respectively.Key words: Fractional-order PIλDμcontroller; Parameters changes; Fractional-order control systems1. 引言在现代的工业控制中,PID控制由于其控制结构简单、参数易于整定、鲁棒性强等优点,一直在占据着主导地位。
Buck电路的分数阶建模与PIλDμ控制
Buck电路的分数阶建模与PIλDμ控制作者:方数丞王晓刚来源:《机电信息》2020年第02期摘要:基于分数阶微积分理论与实际中电感与电容的外特性呈分数阶的事实,运用状态空间平均法建立了在电感电流连续情况下的分数阶Buck电路的数学模型和电路模型,提出了分数阶Buck电路纹波分析与连续条件,推导出占空比至输出电压的传递函数和输入电压至输出电压的传递函数。
此模型较整数阶模型更能精确反映实际电路工作状态。
基于Matlab/Simulink软件对模型进行了仿真,验证了该模型的正确性。
基于ITAE最优控制方法设计了分数阶PID控制器对该模型进行控制,并对补偿后的传递函数进行了仿真,验证了该控制器的有效性。
关键词:分数阶微积分;Buck变换器;建模;分数阶PID控制0 引言自从1695年Leibniz在给L′Hospital的书信中第一次提出关于将微分阶次从整数阶推广到非整数阶的含义的问题,再到由Leibniz所提出的问题开创了一门持续发展了300多年的关于分数阶微积分的学说。
直至1960年开始,分数阶微积分学逐步推广到科学与工程领域,大量学者做出了杰出贡献。
其中,意大利学者Caputo与Mainardi教授提出了基于分数阶导数建立的耗散问题[1];斯洛伐克学者Podlubny教授提出了分数阶比例-积分-微分控制器的模型[2];法国学者Oustaloup教授的研究组提出了分数阶鲁棒控制理论,并将其成功应用于汽车工业的悬挂控制。
近年来,分数阶微积分的应用越来越受到各工程学科的关注,电气工程领域也不例外[3-4],一方面,在传统电路中引入分数阶元件可以使电路设计变得更加自由和灵活[5-7];另一方面,某些电气元件的分数阶模型可能取代目前使用的常规模型。
张波教授在文献[8]中提出了一种buck-boost电路的分数阶建模方法。
文献[9]、文献[10]分别建立了电感电流连续模式和电感电流伪连续模式下boost变换器的分数阶模型。
基于相角裕度与鲁棒性解析法设计分数阶PIλ控制器
基于相角裕度与鲁棒性解析法设计分数阶PIλ控制器高学利;吕广芝【摘要】介绍了一种基于期望相角裕度与提高系统鲁棒性的解析法设计分数阶PIλ控制器.首先,根据相角裕度的定义和提高系统的鲁棒性得到3个非线性方程组,并用图解法得到PIλ控制器的积分阶次λ;然后,由解析法得到控制器的比例增益kp和积分时间常数TI.比较传统Z-N法设计的常规PI控制器,仿真表明解析法得到分数阶PIλ控制器能得到期望的裕度并具有更好的鲁棒性.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2014(041)003【总页数】4页(P243-245,343)【关键词】分数阶PIλ;控制器;相角裕度;解析【作者】高学利;吕广芝【作者单位】烟台万华化工设计院有限公司,山东烟台264006;烟台万华化工设计院有限公司,山东烟台264006【正文语种】中文【中图分类】TH86随着现代工业的发展和工业过程控制精度的不断提高,对工业过程数学模型的建立提出了更高的要求,传统的整数阶模型不能达到精度要求,因为实际的工业过程控制中有许多系统都是分数阶系统。
随着分数阶微积分理论的发展[1],人们建立分数阶微分方程来描述实际分数阶系统,这样可以使模型更加精确。
由于PID控制器具有结构简单、鲁棒性强及易于操作等特点,被广泛地应用于工业过程控制中。
对分数阶被控系统,用传统整数阶PID控制器来控制往往达不到理想的控制效果。
当系统参数变化时,整个闭环系统控制效果变差甚至会不稳定,所以,针对分数阶被控系统,科学家们提出了分数阶控制器。
由于分数阶PID控制器具有变量多、自由度高的特点,这给研究人员提供了更大的想象空间,并进行着不同方向的研究[2,3]。
目前,分数阶控制理论已在工业过程控制中,特别是在冶金、化工、电力、轻工及机械等行业得到了广泛应用。
笔者将介绍一种基于相角裕度与鲁棒性解析法设计的分数阶PIλ控制器。
通过仿真对比常规PI控制器,表明设计的分数阶PIλ控制器具有更好的鲁棒性。
分数阶PID控制器参数整定与控制效果
PID 控制器是工业上应用最广泛的控制器之一,它在控制整数阶被控对象时能取得很好的控制效果;然而,对于一些复杂的实际系统,用分数阶微积分建模比整数阶模型更为精确,为了得到更好的控制效果,将控制器的阶次扩展到分数阶得到PI λD μ控制器模型。
本文对包括PI λD μ控制器积分阶次λ、微分阶次μ在内的5个参数,提出了一种基于遗传算法整定分数阶PID 控制器参数的方法,仿真结果表明,对于分数阶系统,采用PI λD μ控制器会取得比常规PID 控制器更好的控制效果,并验证了本方法的有效性。
PI λD μ控制器比常规PID 控制器多了两个可调参数积分阶次λ和微分阶次μ,控制器参数的整定范围变大,控制器能够更灵活的控制受控对象,但是控制器参数的增多也使得参数的整定变得困难,控制器参数的好坏将直接影响着控制效果。
我们给出了一种基于遗传算法直接整定PI λD μ控制器5个参数的方法,并对分数阶控制器和整数阶控制器对同一被控对象的控制效果进行了比较,最后给出了一个实际系统的分数阶模型,通过仿真,对比了本文方法和其他参数整定方法,给出相应结论。
分数阶系统是用分数阶数学模型能更好描述的一类系统。
为了区别整数阶模型,分别用fc G 和ic G 表示PI λD μ控制器和常规PID 控制器,Gf 和Gi 表示分数阶被控对象和整数阶被控对象。
分数阶控制器传递函数,)(s G fc 的表达式如下:μλs K s K K s G d i P fc ++=-)(其中,积分阶次λ、微分阶次μ都大于0,对比于常规的PID 控制器s K s K K s G d i p ic ++=-1)(可以看出,PI λD μ控制器多了两个可调参数,当积分阶次λ、微分阶次μ都取1时,PI λD μ控制器即为常规PID 控制器,可见常规PID 控制器是PI λD μ控制器的特殊形式。
根据式(6)可以得到分数阶控制系统单位反馈结构图如图1所示 分数阶积分K is -λ+-E(s)Y(s)Gf(s)比例Kp 分数阶微分K d s μR(s)Gfc(s)图1 单位负反馈分数阶闭环控制系统结构图从图1中可以得到,分数阶闭环系统的传递函数)()(1)()()()()(s G s G s G s G s R s Y s G fc f fc f s +== 分数阶系统的时域分析考虑一类简单的分数阶微分方程)()()()()(121121t u t y D a t y D a t y D a t y D a n n t n t n t t =++++--αααα其中,u(t)为某已知函数,假设输出信号y(t)及其各阶导数的初始均为0,则可以由Laplace 变换写出系统传递函数模型n n sa s a s a s a s G n n αααα++++=--1211211)(本文采用Grunwald-Letnikov 分数阶微积分定义,可以得到y(t)的每个阶次的微分如下:⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-+=-≈∑∑-=--=-)()()()(][1)(][0)(jh t y t y h jh t y h t y D h a t j j h a t j jt a i i i i i αααααωω 将上式带入方程中(8)可以写出分数阶微分方程的数值解为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=∑∑∑-===)()(1)(][1)(11jh t y h a t u ha t y h a t j j n i i n i i i i i αααω 应用上述算法就可以求得任意输入的分数阶系统的数值解,编写了一个step ()函数来求解一般微分方程的单位阶跃响应曲线。
分数阶PI λD μ控制器的设计方法——极点阶数搜索改进法
关键 词 : 分数 阶 P 控 制 器 ; 1 分数 阶控 制 系统 ; 点 ; 极 阶数
,
KD和 , 理 调 节 这 5个 参 数 , 以使 得 分 数 合 可
1 分数 阶控 制 系统
分数 阶系 统是 用 分数 阶数 学模 型 才 能更 好 地 被描述的一类 系统。图 1 为单位负反馈 的分数阶
阶 P 控制器控制下分数阶系统 具备更好 的鲁 1 棒 性 和动 、 态 性 能 _ J但 正 是 由于增 加 了 2个 稳 4 , 参 数 和 , 使得 分数 阶 P 控 制器 的设计 过程 I
分 与积 分阶数 扩展 到分 数 , 加 了 2个参数 和 。 比整 数 阶 P D控 制 器 , 数阶 P u 制 器 增 相 I 分 r 控 D
的设 计更加 灵 活 , 设计 过程较 复 杂 。在 极 点阶数 搜 索法 的基 础 上 , 出 了分数 阶 Ha = 制 器 但 提 D 控
设计 的 改进 方 法 , 基本 原理 是 , 其 首先估 计 比例参数 KP其 次搜 索一 对使 系统 时域 性 能较好 的 极 , 点, 然后根 据 时域指 标搜 索较 好 的 , 并计 算 出K【KD 最 终设 计 出合 适 的分 数 阶 P 控 制 , , 1
群 [ 1 神经 网络 [ ] 化算 法等 。 1或 2 1 的优 3 本 文在 极点 阶数搜 索法 的基 础上 , 出分数 阶 提 P 控 制 器 设 计 的改 进 方 法 。原 极 点 阶数 搜 索 1
时滞系统分数阶PI λD μ鲁棒控制
制器 , 尚未 对 满 足相 位裕 度 和 幅值 裕度 条 件 下 , 而 5 个参 数 的分数 阶 P 控制 器设 计及 系统 阶跃 响应 I 仿真 分 析 , 时 滞 系统 参数 变 化 的鲁 棒性 和稳 定 性 对
方面 的研究 也较 少 。 本 文在 控制 系统 满足相位 裕度 和幅值 裕度 的稳
由于微积分 因子 和 的引入 , 分数 阶控制 器 比
整数 阶控 制 器多 了两 个 可调 参 数 , 故控 制 器参 数 的
调 整范 围变大 , 可更灵 活地 控制 被控对 象 , 获得更 好
的控制效 果 。 近 年来 , 分数 阶 P 控制 器越 来越 受 到关注 , I 提 出 了许 多不 同的分 数 阶 P 制 器 的设计 和整 I 控 D
关键词 鲁棒性 分 数 阶 P ' 制 器 IN 控 I 时 滞 系统 相 位裕 度
中 图分 类 号
TP2 3 7
高 阶控 制器 _ 对 控 制器 的参 数 十分 敏感 。分数 阶 1 ,
引 言
在工 业 控制 领 域 , 越来 越 多 的研 究关 注于 控制 对 象或 控 制器是 分 数 阶 的控制 系统 , 是 由于 许多 这
定 方法 文 献 [ —] 56 采用 Grn l— ti v分 数微 a wadl nc ’ e o
积 分 定 义 , 有 限 项 作 近 似 处 理 , 出 了 分 数 阶 取 给
定 性 条 件下 , 设计 了具有 时 间 常数 变 化 的五参 数 分 数 阶 P 鲁棒 控制器 。另外 , I 根据被 控对 象在截 止 频 率 处波 特率 强 制趋 于 平坦 的原理 , 结 合相 位 裕 再
控制 器 ; 9 9年 , o lb y3] 出了广 义 的分数 阶 19 P du n [4 -提
分数阶PIλDμ控制器的设计方法——极点阶数搜索改进法
分数阶PIλDμ控制器的设计方法——极点阶数搜索改进法严慧
【期刊名称】《机械设计与制造工程》
【年(卷),期】2010(039)017
【摘要】基于分数阶被控系统提出了分数阶PIλDμ控制器,该控制器将传统整数阶PID控制器的微分与积分阶数扩展到分数,增加了2个参数μ和λ.相比整数阶PID 控制器,分数阶PIλDμ控制器的设计更加灵活,但设计过程较复杂.在极点阶数搜索法的基础上,提出了分数阶PIλDμ控制器设计的改进方法,其基本原理是,首先估计比例参数KP,其次搜索一对使系统时域性能较好的极点,然后根据时域指标搜索较好的μ,λ并计算出KI,KD,最终设计出合适的分数阶PIλDμ控制器.仿真结果证实,与极点阶数搜索法相比,它的改进法设计出的分数阶PIλDμ控制器能够更好地调节系统,系统响应能够达到更高的时域指标,并且具备很好的动、稳态性能.
【总页数】5页(P44-48)
【作者】严慧
【作者单位】金陵科技学院,信息技术学院,江苏,南京,211169
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.控制系统的分数阶建模及分数阶Piλ Dμ控制器设计 [J], 邓立为;宋申民;庞慧
2.一类采用分数阶PIλ控制器的分数阶系统可镇定性判定准则 [J], 高哲
3.分数阶PIλDμ控制器阶数变化对控制性能的影响 [J], 严慧
4.分数阶PIλDμ控制器的设计方法——极点阶数搜索改进法 [J], 严慧
5.分数阶PI^λD^μ控制器参数设计方法——极点阶数搜索法 [J], 严慧;于盛林;李远禄
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基于模糊规则的自适应分数阶PIλ控制器的研究
基于模糊规则的自适应分数阶PIλ控制器的研究杨宁宁;韩宇超;田录林;贾嵘;吴朝俊【摘要】为提高分数阶PI控制器的鲁棒性,实现更好的控制效果,本文提出一种基于模糊规则的自适应阶数分数阶PIλ控制器,并对模糊规则和分数阶PIλ控制器的设计过程进行了详细的阐述.最后,仿真研究了基于模糊规则的自适应分数阶控制器的三相PWM整流器电压外环响应特性.与传统的整数阶PI控制器、分数阶PIλ控制器控制效果相比,自适应阶数分数阶模糊PIλ控制器(VOFFPI)具有响应速度快,超调量小,对扰动具有较好的鲁棒性等优点.该方法可以有效的应用到含有非线性现象和多扰动输入的复杂控制系统中,提高系统的鲁棒性,达到更好的控制效果.%In this paper,a variable order fractional PIλ controller based on fuzzy rules is presented to improve the robustness of fractional-order PI controller,with the design process of fuzzy rule and fractional order PIλ controller described in detail.A study is conducted of the voltage outer loop response characteristics of three phase PWM rectifier based on fuzzy rule adaptive fractional order controller by pared with the traditional integer order PI controller and the fractional order PIλ,the adaptive order fuzzy PIλ controller (VOFFPI) has the advantages of immediate response,small overshoot and good robustness to disturbances.The method can be effectively applied to the complex control system under the condition of nonlinear phenomenon and multi disturbance input,improving the robustness of the system and achieving a better control effect.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】6页(P304-309)【关键词】分数阶微积分;分数阶模糊PIλ控制器;数值仿真;Oustaloup滤波器【作者】杨宁宁;韩宇超;田录林;贾嵘;吴朝俊【作者单位】西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048;西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048;西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048;西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TP273filter非线性现象广泛地存在于自然界和社会生活之中,是体现自然界复杂性的典型特性之一。
基于人工鱼群算法的分数阶PIλ控制器参数整定
在直流电机速度控制环节,用粒子群算法设计了分
数阶 PIλ Dμ 控制器。 本文主要是在文献[15]运用的图像的基础上,运用人工鱼 群算法对分数阶 PIλ 控制器三个参数进行优化, PIλ 控制器的 典型公式,如式(1)所示。
第 36 卷第 3 期 优先出版
计算机应用研究 Application Research of Computers
Vol. 36 No. 3 Online Publication
基于人工鱼群算法的分数阶 PIλ 控制器参数整定 *
张学典,王富彦,秦晓飞+
(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093) 摘 要:针对分数阶 PIλ 控制器的参数整定,提出图像法和人工鱼群优化算法相结合的方法来对分数阶 PIλ 控制器进
行参数整定。分别以一阶系统和二阶系统来模拟典型的速度伺服系统,以此模型为被控对象进行分数阶 PIλ 控制器的 设计,首先在频域内,根据系统的相对稳定性和增益变化的鲁棒性等条件,推导出方程式;然后根据图像法解出分数 阶 PIλ 控制器的参数,以解出的参数为中心位置,指定寻优的范围,进而用人工鱼群算法对其周围进行寻优。最后进 行仿真研究,通过仿真可以看出,通过人工鱼群算法寻优得到的控制器,比单纯用图像法得到分数阶 PIλ 控制器能使 系统具有更好的动态响应特性,并且满足增益变化鲁棒性的条件。 关键词:人工鱼群算法;图像法;分数阶 PIλ 控制器;参数整定 中图分类号:TP273.2 doi: 10.3969/j.issn.1001 -3695.2017.09.0915
作者简介:张学典(1974-) ,男,山东烟台人,教授,博士,主要研究方向为光电检测(zhangxuedian@) ;王富彦(1993-) ,男,硕士研究 生,主要研究方向为电机驱动去控制,分数阶系统;秦晓飞(1982-) ,男(通信作者) ,高级工程师,博士,主要研究方向为电机驱动、运动控制、机器视 觉与人工智能(94607969@) .
分数阶PI λD μ控制器阶数变化对控制性能的影响
制性 能 的 影 响 。仿 真结 果 表 明 , / z与 分 别 主 要 影 响 系 统 的 超 调 和 系统 的 稳 态精 度 。
关 键 词 : 数 阶 P 分 I ;控 制 器 ;阶数 ;分 数 阶 控 制 系 统 D 中 图 分 类 号 : P2 3 T 7 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 6 2—7 5 2 0 ) 4 0 3 6 17 5 X(0 8 0 —0 1 —0
/ 皿 彗
,
( 陵科 技 学 院 信 息 技 术 学 院 , 苏 金 江
南京
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
216) 1 19
摘
要 : 传 统 整 数 阶 P D控 制 器 相 比 , 数 阶 P 控 制 器 增 加 了 两 个 可 调 参 数 , 分 阶 数 与 积 分 阶 数 。 与 I 分 I 微
调节 与 的值 就 可 以 调节 控 制 器 微 分 环节 与 积 分 环 节 的 强 弱 . 得 分 数 阶 P 控 制 器 的设 计 更 加 灵 活 . 使 I 控 制性 能 更 加优 良 。通 过 仿 真 实验 详 细 研 究 了分 数 阶 P I 控 制 器 的 微 分 阶 数 与 积 分 阶 数 A变 化 对 控 制 器 控
I f u nc f 0r r Va i to f Fr c i na . r e ^ n l e e o de r a i n o a to 1o d r PI D Co t o l r n r le
o nt o l r’ r o m a e n Co r le S Pe f r nc
o de c n r le a e i e lxi l n t o r lp ro m a e i e tr I h a e , r r PID o to lr c n bed sgn d fe b y a d is c nto e f r nc sb te . n t e p p r
BUCK型开关变换器分数阶PI λD μ控制研究
( stt o l tcl fr t nE g er g T n jUnvr t, hn h i 0 4 C ia I tue f e r a I omao n i ei ,o g iesy S a g a2 10 , hn) n i E ci d n i n n i i 8
Ke wo d : y r s Bu k c n e t r f a t n lo d rc l u u ; z c o v re ; r c i a r e a c l s PI D c n r le ; r a e e st n n o o to l r pa m t r i g u
关键词: u k B c 变换器 ;分数阶微积分 ;分数 阶 p 控制器 ;参数整定 I
中 图分 类 号: P 7 T 23 文 献标 识 码 : A 国家 标准 学 科 分类 代 码: 1.O 50 4
Re e r h n b k o e t rc nto a e n f a to a r rPID c nto l r s a c o uc c nv r e o r lb s d o r c i n lo de o r le
Abs r c : F r r m o i t e p ro ma e f te t a t o p o t ng h e f r nc o h Bu k o v re c to ld y r dto a PI c c n e tr onr le b ta i n l D c n r le, i o to lr r ci n lo d rPI fa to a r e c nrl r o to l ,wh c steg n r l ai n o l sia n e e r e D o to lr wa r p s d I e i h i h e e ai to fca sc lit g ro d rPI c nr l , sp o o e . t z e
一类采用分数阶PIλ控制器的分数阶系统可镇定性判定准则
一类采用分数阶PIλ控制器的分数阶系统可镇定性判定准则高哲【期刊名称】《自动化学报》【年(卷),期】2017(043)011【摘要】This study proposes a stabilization criterion for interval fractional-order plants involving one fractional-order term using fractional-orderPIλcontrollers. The characteristic function of the closed loop system is divided into the nominal function and disturbance function, and the construction method for the vertices of the value set with respect to the disturbance function is investigated. Moreover, the upper and lower limits of the test frequency interval are offered to determine the position relationship between the origin and the value set corresponding to the closed loop system. By supposing that the vertex functions are not equal to zero within the test frequency interval and the closed loop nominal system is stable, the stabilization criterion for closed loop systems using fractional-order PIλcontrollers is proposed analytically. Finally,stabilization analyses of numerical examples verify the effectiveness of the proposed criterion.%针对含有一个分数阶项的区间分数阶被控对象,提出了采用分数阶PIλ控制器的闭环系统可镇定性判定准则.将闭环系统的特征函数分解为扰动函数和标称函数,给出了扰动函数值集顶点的构造方法.根据被控对象分数阶阶次和控制器的阶次,研究了值集形状是否切换和切换频率的计算方法.此外,给出了测试频率区间的上下界,以实现在有限频率区间内判定闭环系统值集与原点的位置关系.在假设值集顶点函数在测试频率区间内不为零和闭环标称系统稳定的情况下,以解析的方式提出了采用分数阶PIλ控制器闭环系统的可镇定性判定准则.最后,通过对数值算例的可镇定性分析,验证了提出的判定准则的有效性.【总页数】10页(P1993-2002)【作者】高哲【作者单位】辽宁大学轻型产业学院沈阳110036【正文语种】中文【相关文献】1.分数阶系统模糊自适应分数阶PIλDμ控制器 [J], 梁涛年;陈建军;王媛;林智伟;崔星毅2.分数阶系统的分数阶PID控制器设计 [J], 薛定宇;赵春娜3.一类分数阶系统的稳定性和Laplace变换 [J], 王春4.一类广义分数阶系统的Hyers-Ulam-Rassias稳定性 [J], 王春;许天周5.一类分数阶系统的分析及控制器设计 [J], 王晓燕;王东风;韩璞因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于分数阶PIλ制器的单容水箱液位控制
基于分数阶PIλ制器的单容水箱液位控制蔡国娟;王德进;刘振全【摘要】讨论分数阶PIλ制器在单容水箱液位控制中的应用问题,给出了一种基于图解稳定性准则的PIλ制器的设计方法.研究了PIλ制器的参数稳定域,然后在稳定域内进行系统性能的设计,并提出具体的设计算法.通过Matlab仿真和水箱液位控制系统的实际操作实验,对分数阶PIλ制器、整数阶PI控制器和常规Ziegler-Nichols参数整定方法进行比较,说明了本文设计方法的有效性和分数阶PIλ控制器的优越性.%The application problem of fractional-order Piλ controller in the level control of single water tank was discussed, and a design method of Piλ controller was given based on a graphical stability criterion. The parameters stability region of Piλ controller was first determ ined, then, the performances of the closed-loop system were considered in the stability region, and a practical design algorithm was proposed also. Via Matlab simulation and the practical control test in the level control of water tank device, the control effects of fractional-order Piλ control, the conventional PI control and the Ziegler-Nichols tuning rule was compared. The results show the effectiveness of the design approach proposed and the superiority of fractional-order Piλ control over the conventio nal PI control.【期刊名称】《天津科技大学学报》【年(卷),期】2011(026)004【总页数】4页(P57-60)【关键词】分数阶pIλ-制器;水箱液位控制系统;图解稳定性准则【作者】蔡国娟;王德进;刘振全【作者单位】天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222;天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222;天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222【正文语种】中文【中图分类】TP273对分数阶控制系统的研究越来越受到人们的重视.一方面,分数阶模型是对一类实际被控对象的更精确的数学模型描述[1];另一方面,分数阶控制器可以取得比整数阶控制器更好的控制效果[2],无论是对整数阶被控对象还是对分数阶被控对象.目前,分数阶控制器有 4种类型,即 TID控制器[3]、CRONE控制器[4]、PIλ Dμ 控制器[5]及分数阶相位超前/滞后补偿器[6].文献[7]采用 D-分解法研究了分数阶PI和PID控制器的参数稳定域和性能设计问题.文献[8–10]根据各种性能指标约束,通过解析法求解分数阶PIλ 和PDμ控制器的参数,实现参数整定.本文以单容水箱液位控制系统为工程背景,利用一种可应用于分数阶时滞系统的图解稳定性准则研究分数阶PIλ 控制器的参数稳定域和积分阶次λ对参数稳定域的影响,进而在参数稳定域内进行相角裕度性能设计.文中给出PIλ 控制器的一种图解参数整定方法,并与常规的Ziegler-Nichols参数整定方法[11]进行比较.通过计算机仿真和水箱液位控制实验操作,验证了本文方法的有效性和优越性,实现了分数阶PIλ 控制器在液位控制系统中的实际应用.众所周知,单容水箱的数学模型可以表示为式中:k为稳态增益;T为时间常数;L为滞后时间,一般是由液体的长管路传输产生.实验装置中水箱液位的量程为 0~50 cm.首先将出水阀门固定于某一开度,然后采用阶跃响应法[12],连续做3次同样的实验,取被测参数的3组实验数据,求其平均值,得一阶加滞后模型(1)的参数为考虑单容水箱液位控制系统,如图1所示.其中G(s)由式(1)给定,C(s)为分数阶PIλ,控制器.式中:kP和kI分别为比例增益和积分增益;λ ∈(0,2)为积分阶次.如果取λ=1,就得到常规(整数阶)PI控制器.图1所示系统的闭环拟多项式为本节的目的是,对固定的积分阶次λ∈ (0,2),在kP −kI平面,基于一个图解稳定性准则,确定参数稳定域.为此,令s=jω,代入式(4),得显然,式(6)和(7)的Dr和Di依赖于参数(kP,kI ,λ,ω).假设为虚轴上的一点,使得即虚轴上存在根.由隐函数存在定理可知,如果雅可比(Jacobi)矩阵非奇异,则由式(6)和(7)可解得局部唯一连续解曲线(k P (ω) ,kI(ω) ).进一步,有如下命题:命题 1[13] 在kP −kI参数平面上,沿ω增加的方向,当detJ<0时,参数曲线(k P (ω),kI(ω) )右侧为稳定的参数区域;而当detJ>0时,左侧为稳定的参数区域.其中J为式(9)定义的雅可比矩阵.由式(6)、式(7)和式(9)可以得到另一方面,以λ和ω为参变量,解方程组(8)得由于特征方程(5)和时滞因子L均为实数,如果jω是式(5)的根,则其复共轭也是式(5)的根,所以只需考虑ω∈ [0,+ ∞ ),对应于两种情况:ω=0和ω∈ (0,+∞ ).当ω=0时,令 D∗ (0)= 0,得临界稳定边界线而当ω∈ (0,+ ∞ )时,式(11)和式(12)在kP −kI平面给出临界稳定边界线的另外一部分,根据命题 1,可以确定该曲线的哪一侧为稳定的参数区域.有了参数稳定域,就可以在稳定域内进行相角裕度(PM)和幅值裕度(GM)的设计.由于相角裕度直接与动态响应的超调量相关,这里只讨论 PM 的设计.设期望的PM为mφ,由PM的定义,开环传递函数应满足式(14).其中,cω为截止频率.为了获得满意的动态响应,mφ应介于30°~60°.根据式(14)可以定义如下函数:比较式(5)和式(16),可以看出两式的唯一差别仅在于式(16)多一个因子φm.因此,对给定的PM=φm ,上节关于确定参数稳定域的方法完全可以扩展到PM的情形.类似于式(11)和式(12)的推导,有对固定的积分阶次λ,式(17)和式(18)在kP −kI 平面上的稳定域内确定一条满足给定的PM的曲线.根据上面的讨论,可以提出如下分数阶PIλ控制器的设计算法.算法1 给定相角裕度,设计PIλ控制.(1)选取λ∈ (0,2),并取足够大的ω,由式(11)和式(12),在kP −kI 平面上绘制临界稳定参数曲线(k P (ω) ,kI(ω) ).根据式(10)中detJ的符号,由命题 1可判断参数曲线的右侧为稳定域,并结合式(13)得到封闭的参数稳定域.(2)给定期望的相角裕度φm,由式(17)和(18),在稳定域内绘制相角裕度曲线.根据命题 1可判断,该曲线的右侧为相角裕度大于φm的参数区域.(3)沿相角裕度曲线,根据期望闭环系统带宽的要求选择截止频率ωc,并计算出(k P(ωc),kI(ωc )).对于幅值裕度,相对稳定裕度的情形可类似讨论.对所建立的单容水箱模型(2),应用算法 1进行分数阶PIλ控制器的设计,并做Matlab仿真与实际液位控制实验.对单容水箱模型(2),应用公式(11)和(12),在kP −k I平面上,选取不同的分数阶次λ∈ (0,2),绘制PIλ控制器的参数稳定域,如图2所示.图中箭头为ω增加方向.随λ的减小,参数稳定域变大,为系统性能设计提供了更大的空间.本文仅从分数阶PIλ 控制器能有效改善阶跃响应的瞬态性能的角度,讨论了PIλ的设计问题.λ取0.9,超调量明显减小.λ再小,超调量会更小.但实际上,分数阶PIλ 控制器的另一个特点是能显著改善系统对被控对象增益变化的鲁棒性[9–10].从改善鲁棒性的角度出发,积分阶次λ应相对大一些.这样,动态响应与鲁棒性之间是相互矛盾的,应折衷考虑.所以,仿真与实验中,没有选取过小的λ,而是取λ=0.9.由于取λ= 0.9<1 ,输出响应收敛于终值的速度要比整数阶积分器1s为慢.为了克服该问题,分数阶积分器必须这样来实现[9]:来保证整数阶积分器1s的积分效果.仿真和实验都验证了这种实现的有效性.取λ=0.9和λ=1(整数阶 PI控制器),给定期望的相角裕度mφ=45°.由式(17)和式(18),在参数稳定域内绘制相角裕度曲线,如图3所示.根据闭环带宽要求选取截止频率ωc,如图3中A点,其控制器参数为 kP =0.84,k I = 0.0088.由于A点位于λ=0.9时的相角裕度曲线之内,对于λ=0.9的分数阶PIλ 控制器来说,所达到的相角裕度大于45°,对应的阶跃响应的超调量明显减小,如图 4中点划线所示.为了比较,图 3中还给出了利用常规 Ziegler-Nichols整数阶PI控制器整定公式算出的参数点B,其控制器参数为 k P = 1.216,k I= 0.0146.相应的阶跃响应曲线如图 4中实线所示.取后,利用 MCGS组态软件编程,在实际液位控制实验装置上进行液位控制实验,测得的3种情况下的阶跃响应曲线如图5所示,与Matlab仿真结果基本一致.本文以单容水箱液位控制系统为工程背景,给出了分数阶PIλ控制器设计的一种方法.将Ziegler-Nichols参数整定方法和本文的PI和PIλ参数整定方法进行了比较,说明了本文方法的有效性,特别是采用PIλ控制器能有效改善动态响应品质.仿真和实验都说明,分数阶PIλ控制器完全可以取代常规PI控制器,具有广阔的应用前景.【相关文献】[1]Podlubny I. Fractional Differential Equations[M]. London,UK:Academic Press,1999.[2]薛定宇,赵春娜. 分数阶系统的分数阶 PID 控制器设计[J]. 控制理论与应用,2007,24(5):771–776.[3]Lurie B J. Three-parameter tunable tilt-integral-derivative(TID)controller:US,5371670[P]. 1994–12–06.[4]Oustaloup A,Mathien B,Lanusse P. The CRONE control of resonant plants:Application to a flexible transmission[J]. European Journal of Control,1995,1:113–121. [5]Podlubny I. Fractional-order systems and PIλDμ controllers[J]. IEEE Transactions on Automatic Control,1999,44:208–214.[6]Monje C A,Calderon A J,Vigagre BM,et al. The Fractional order lead compensator[C]// Proceedings of Second IEEE International Conference on Computational Cybernetics. Vienna,Austria:IEEE,2004:347–352.[7]Hamamci S E. Stabilization using fractional-order PI and PID controller[J]. Nonlinear Dynamic,2008,51:329–343.[8]Maione G,Lino P. New tuning rules for fractional PIλcontrollers[J]. Nonlinear Dynamics,2007,49:251–257.[9]Monje C A,Calderon A J,Vinagre B M,et al. On fractional PIλcontrollers:Some tuning rules for robustness to plant uncertainties[J]. Nonlinear Dynamics,2004,38:369–381.[10]Luo Y,Chen Y Q. Fractional order [Proportional derivative] controller for a class of fractional order systems[J].Automatica,2009,45(10):2446–2450.[11]Ziegler J G,Nichols N B. Optimum setting for automatic controllers[J]. Transaction of the ASME,1942,64:759-768[12]潘永湘,杨延西,赵跃. 过程控制与自动化仪表[M]. 2版. 北京:机械工业出版社,2007. [13]Diekmann O,van Gils S A,Verduyn Lunel S M. Delay Equations:Fractional-,Complex- and Nonlinear Analysis[M]. New York:Springer-verlag,1995.。
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Abstract —This article provides a graphical parameter tuningmethod of λPI controllers for fractional-order time-delay systems. First, the complete stabilizing region of λPI controllers in proportional- integral plane, for a fixed λ, is determined in terms of a graphical stability criterion applicable to time-delay systems. Then, the stabilizing region is maximized analytically with respect to parameter λ to expect the most various behaviors of the closed-loop systems. Finally, by defining appropriate functions relative to the requirements of gain and phase margins, the curves in the maximized stabilizing region satisfying the pre-specified gain and phase margins are drawn, which releases a flexible parameter tuning procedure. Numerical examples are given to illustrate the design steps.Keywords —Fractional order systems, λPI controllers, Time-delay systems, Graphical stability criterionI.INTRODUCTIONHE PID controller is the most commonly used control tool in industrial processes and is a very important topic in both academic research and control engineering applications [1-3]. The reason of this wide range of interest is its relatively simple structure that can be easily understood and implemented and its control ability in many practical processes. The conventional research efforts towards PID controllers was focuses mainly on the tuning rules of PID parameters, e.g., the well known Ziegler- Nicholes rules [4] for the processes with the S-shape reaction curve. In recent years, considerable attention has been paid to the so-called fractional-order systems whose models (the plants and/or the controllers) are described by fractional-order differential equations, i.e., equations involving noninteger-order derivatives [5]. This is due to the fact that many real control systems are well characterized by such equations. The frequency response and the transient response of the noninteger integral and its application to control systems were first introduced in [6]. Frequency analysis was also applied to fractional-order PID-like controllers, i.e., in the TID (tilt-integral-derivative) scheme proposed in [7], where the proportional compensating unit of a classical PID algorithm was replaced by an element referred to as a “tilt ” compensator. The synthesis approach to the CRONE control introduced in [8-9] pursues the “fractal robustness ” on the basis of a desired frequency template [10]. The conventional PID controller was extended to the fractional-order form of μλD PI both in the time domain [11] and in the frequency domain [12,5]. For time-delay systems, the design methods forλPI andμλD PI controllers have attracted more interests in recentThis work is supported by the National Nature Science Foundation of PR China under Grant 60874028.research [13-16]. In [13], taking advantage of the additional freedom λ provided by λPI controller, one more specification than in the case of conventional PI controller has achieved via a nonlinear function minimization subject to some given nonlinear constraints, improving the performance of the system and making it more robust to plant uncertainties (gain and time-constant changes). The robustness of λPI controller offered by fractional-order λ was further studied and confirmed in [14] by solving a nonlinear function minimization problem also. The results of D-decomposition method applied to the parameter space design of fixed structure controllers for the integer-order systems were generalized to the case of fractional-order μλD PI controllers [15-16]. The stability regions were derived analytically in different parameter space selected from five parameters of μλD PI controllers.In this article, a graphical stability criterion applicable to complex functions with delay factor is employed to investigate the stabilizing regions in the parameter space, i.e., in ),(i p k k -plane, of λPI controller for a fixed value of λ. By an analytical optimization procedure, the optimal value of λ corresponding to the maximum area of stabilizing region is computed. In this maximum stabilizing region, the specifications of phase and gain margins of fractional-order systems with time-delay is considered, which gives a quite flexible tuning method for λPI controllers.II. M AIN R ESULTSA. Stability CriterionConsider SISO unity feedback system shown in Fig.1, where )(s G is the transfer function of the plants with time-delayse s D s N s G θ-=)()()( (1) where D(s)andN(s)are integer order or fractional-orderpolynomials of complex variable s , 0>θis the time-delay, C(s)is the λPI controllerFig. 1.Unity feedback systemλsk k s C ip +=)( (2)A Graphical Tuning of λPI Controllers for Time-Delay SystemsDe-Jin Wang, and Jiang-Hui ZhangSchool of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, 300222, PR China email: wdejin56@Twhere p k and i k are the proportional-gain and integral-gain, respectively,20<<λdenotes the fractional-order of the integrator. Taking 1=λ, the classical PI controller is recovered. The closed-loop fractional-order characteristic polynomial (quasi-polynomial, see [5]) is given by si p es N k s k s D s s θλλδ-++=)()()()(Multiplying both sides of the above equation by se θyields )()()()(*s N k s k e s D s s i p s++=λθλδ (3) The objective of this subsection is to determine thestabilizing region, based on a graphical stability criterion, in ),(i p k k -plane for a fixed )2,0(∈λ.To this end, substituting jw s = into (3), i.e. along the imaginary axis in s-plane, we get)(])([)()()(*jw N k jw k e jw D jw jw i p w j ++=λθλδ (4) Noting that2sin2cosλπλπλj j += (5) )()()(w jD w D jw D i r += (6) )()()(w jN w N jw N i r += (7) and partitioning )(*jw δ into its real and imaginarycomponents yields )()()(*w j w jw i r δδδ+=where)()2cos()()()2cos()()()(2222ωλπβωωωλπαθωωωωωδλλr i i r p i r r N k N N k D D +++++++= (8) )()2sin()()()2sin()()()(2222ωλπβωωωλπαθωωωωωδλλi i i r p i r i N k N N k D D +++++++= (9) where αdenotes the phase of the complex function (6), β the phase of (7), respectively.From (8) and (9), it is clear that both r δand i δdepend on parameters ),,,(ωλi p k k . Suppose that we have found, in one way or another, a point ),,,(0ωλi p k k on the imaginary axis such that⎪⎩⎪⎨⎧====0),,,(0),,,(0000ωλδδωλδδi p i i i p r r k k k k (10)i.e. there is a root on the imaginary axis in s-plane. Then, according to the Implicit Function Theorem, if the Jacobi Matrix),,,(00ωλδδδδi p k k i i p i i r pr k k k kJ ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂= (11)is nonsingular, the equations (10) has a unique local solution curve ))(),((ωωi p k k . Moreover, we have the following proposition [17].Proposition 1 The critical roots are in the right-half plane in the parameter space to the left of the curve ))(),((ωωi p k k when we follow this curve in the direction of increasing ω, whenever det 0<J and to the right when det 0>J . Here J is the Jacobi Matrix defined in (11).Solving equations (10) for p k and i k in terms of λ andω yields2sin)()()2sin()()(2222λπωωλπβαθωωωi r i r p N N D D k ++-++-= (12)2sin)()()sin()()(2222λπωωβαθωωωωλi r i r i N N D D k +-++= (13) On the other hand, it follows, from (8), (9) and (11), that20,0,0))()((2sindet 22<<>∀<+-=λωωωλπωλi r N N J (14)As the coefficients of the characteristic quasi-polynomial (4)and θare real, we have that if ωj is a root of (4), then, so toothe complex conjugate of it. Therefore, it is sufficient toconsider ),0[+∞∈ω, which corresponds to two cases:0=ωand ),0(+∞∈ω.When ),0(+∞∈ω, (12) and (13) determines a part of thestabilizing boundary line in ),(i p k k -plane, and fromProposition 1, we can identify which side of the line belongsto the stabilizing region as shown in the following examples. On the other hand, if the numerator )(s N of the transfer function )(s G in (1) contains a constant term, when 0=ω,0)(*=ωδ leads to0=i k (15) which gives another part of the stabilizing boundary line. Example 1 Integer- order plant controlled by fractional- order controller. Consider the following integer first-order plant with time-delay s e s s G 4.01105)(-+=For this plant, we determine the stabilizing parameters of thefractional-orderλPI controller (2). For fixed ,2.0=λ1=λ and 6.1=λ, respectively, from (12) and (13), the stabilizing boundary curves in ),(i p k k -plane can be drawnfor sufficiently large ω as shown in Fig.2. In the frequency range ),(10ωω, 00=ω, according to the sign of detJgiven by (14) and Proposition 1, the right side of each curve, as ω increases, belongs to stabilizing regions. Thus, the initial pieces of these curves in the frequency range ),(10ωω, together with the straight line (15), constitute the stabilizing regions. From Fig.2, it is clear that different values of λcorrespond to different shapes and areas of the stabilizing regions.kp k iFig. 2 Stabilizing boundary curves for different λExample 2 Fractional-order plant controlled by fractional- order controllers. Consider the following fractional-order plant with time-delays e a s s G 1.0221)(10)(-+=where a is a real number. Fixing 2.0=λ, we discuss theshapes of the stabilizing regions for different values of a . Similar to the procedure of Example 1, the stabilizing region in ),(i p k k -plane are plotted in Fig.3 for 5.0=a , 0=a , and 1-=a , respectively. It is observed that as a decreases, the stabilizing region shrinks. B. Optimization of λIt is expected that the bigger stabilizing region canλ=0.2kpk iFig. 3 Stabilizing region for different values of aprovides more various behaviors of control system, and achieves better response performances. From the above two examples, it is observed that the stabilizing regions have “sector” shapes which enables us to find the maximum stabilizing region by selecting an appropriate value of λ as discussed in the following.From the discussion of the above subsection, the parameter λof λPI controller affects the shape and area of the stabilizing region.We first note that when 0=i k , the stabilizing boundary curve intersects with p k axis, and the correspondingintersection frequency is1ω see Fig. 2. By letting0)(=ωi k in (13), we obtain that 1ωis the solution of theequation0)sin(=-+βαθωwhich is independent of λ.This fact leads us to utilize the Leibnitz Sector Formula to calculate the area of the stabilizing region,ωωωωωλωωd k k k k P i p i p ⎰'-'=10)]()()()([21)( (16)and the optimum value of λ corresponding to the biggeststabilizing region is determined by the solution of the equation0)(=λλd dP (17) Example 3 Recall Example 1. In this case, we have 00=ωand =1ω 3.99. By using the approximate integration, the relation curve between )(λP and λ is plotted in Fig. 4, from which it is seen that we have two optimum values of λ, i.e., 0→λ and 6.1=λapproximately. Choosing 2.0=λ and 6.1=λ, the stabilizing regions are shown in Fig. 2, which are bigger than the conventional case, 1=λ.λP (λ)Fig.4 Relation curve between )(λP and λIII.PERFORMANCE DESIGNOnce the stabilizing regions are known, we can further consider the synthesis of λPI controllers with given gain margin (GM) and phase margin (PM), i.e., the objective is to make the open-loop transfer function,)()(s G s C , meet the followingmj p p p i p p h e j D j N j k j k p 1)()()()(-=⋅+-θωλλωωωω (18) for the case of GM, andm gj j g g g i g p e e j D j N j k j k φθωλλωωωω-=⋅+-)()()()( (19) for the case of PM, respectively, where m h and m φ are the desired GM and PM, respectively, p ω and g ωare the phase and gain crossover frequencies of the open-loop system,respectively. For satisfactory response performance, the gain margin should be greater than 2, and the phase margin should be between30to60. In the sequel, let us only consider the case of phase margin since it is closely related to overshoot. (19) Leads us to define the following complex function of ω0)()()()()(=+⋅+=-m j j i p e e j D j N j k j k F φθωλλφωωωωω (20) from which, it follows that0)(])([)()()(=+++ωωωωλφθωλj N k j k e j D j i p j m (21)By comparing (4) with (21), it is exhibited that thedifference between (4) and (21) is the factor m φ in (21). Hence, for a given PM=m φ, the stabilizing analysis strategy in the previous section can be extended to the case of (21). First, from (21), along the same line as solving the solution (12) and (13), we have2sin)()()2sin()()(2222λπωωλπβαφθωωωi r m i r p N N D D k ++-+++-= (22)2sin)()()sin()()(2222λπωωβαφθωωωωλi r m i r iN N D D k +-+++= (23) which determines the achievable PM curve in the stabilizing region.Then, based on the above discussion, the following algorithm is developed on the achievement of the given PM for λPI controllers. Algorithm 1 For achieving the given PM of λPI controllers Step 1 Select an optimum value of λ in the range 20<<λ, using the formula (16) as shown in Fig.4. Step 2 For this λ, plot the curve ))(),((ωωi p k k using (12) and (13) for big enough ω, and identify the stabilizing region according to the sign of 0det <J given by (14) based on Proposition 1.Step 3 Given a desired m φ, draw the achievable PM curve given by (22) and (23) for big enough ω.Step 4 Choose a gain crossover frequency g ω along this curve in the stabilizing region according to the desired band width of closed-loop system, and compute the corresponding point ))(),((g i g p k k ωω.In the case of achieving the given GM of λPI controller, the design procedure is similar to Algorithm 1.If one wants to achieve the desired PM and GM simultaneously, the two curves for achieving the PM and GM can be drawn on the same graph, and the intersection of the two curves is the solution. Note that this intersection of the two curves may not exist in stabilizing region for bigger GM and/or PM.Example 4 Recall Example 1 again. First, selecting 2.0=λ, which corresponds to a relatively bigger stabilizing region (see Fig.2), and setting the desired PM to45, we draw the corresponding achievable PM curve in the stabilizing region using Algorithm 1, as shown in Fig.5 (a) (the inner solid line) . Next, for comparisons, choosing 1=λ, corresponding to the conventional PI controller, and PM=45, the achievable PM curve is plotted in the same figure (the inner dashed line). Clearly, the two PM curves have an intersection point A. The coordinates of point A reads 82.2=p k and 14.1=i k approximately, and the corresponding gain crossover frequencies are 89.1=g ω for2.0=λ and 46.1=g ω for 1=λ, respectively. Underthis set of parameters of λPI controller, the step responses are shown in Fig.5 (b) for the two cases. Although the given PM are the same (45), the overshoot for 2.0=λis lessthan that for 1=λ, and the response for 2.0=λ has a faster rise time than that for 1=λ, because the former has a bigger gain crossover frequency. Finally, it is observed, from Fig. 4, that the stabilizing region has another local maximum point at 6.1=λ. We compare the case of 2.0=λ with the case of 6.1=λ. Setting PM=45, the two PM curves have an intersection point B as shown in Fig. 6 (a) and the parameters at point B read 72.2=p k and 22.1=i k ,88.1=g ω for 2.0=λ, 86,0=g ω for 6.1=λ. Thestep responses are plotted in Fig. 6 (b), which shows that although 6.1=λ is a local maximum point of stabilizing region, the step response is worse than those for 2.0=λ and 1=λ.To summarize, a smaller value of λ can give a bigger stabilizing region and a better system performance.kpk i(a) Stabilizing regions and PM curvesStep ResponseTime (sec)A m p l i t u d e(b) Step responsesFig. 5 Comparisons between 2.0=λ and 1=λ.IV.C ONCLUSIONSIn this article, a graphical tuning method of λPI controllers for time-delay systems has been proposed. The maximum stabilizing region with respect to λ has been obtained analytically. In this region, the specifications ofachievable gain and phase margins have been discussed and the comparisons for different value of λ have been made bothin parameter space and in time domain.kpk i(a) Stabilizing region and PM curvesStep ResponseTime (sec)A m p l i t u d e(b) Step responsesFig. 6 Comparisons between 2.0=λ and 6.1=λ.R EFERENCES[1] K. Astrom, and T. Hagglund, PID controllers: Theory, Design, and Tuning. Research Triangle Park, NC: Instrument Society of American, 1995.[2] G.J. Silva, A. Datta, and S.P. Bhattacharyya, PID Controllers for Time- Delay Systems. Berlin, Germany: Birkhauser, 2004.[3] K. Astrom, and T.Hagglund, Advanced PID Control. Research T. Park, NC:ISA, 2005[4] J. G. Ziegler, and N. B. Nichols, “ Optimum setting for automatic controller,” Trans. ASME, Vol.64, pp. 759-768, 1942.[5] I. Podlubny, Fractional Differential Equations. London. UK, Academic Press, 1999[6] S. Manable, “The non- integer integral and its application to control systems ,” Electrotechnical Journal of Japan, Vol. 6, No. 3/4, pp. 83-87, 1961[7] B. J. Lurie, Three- parameter tunable tilt- integral- derivative (TID) controller. Us patent Us5371670, 1994[8] A. Oustaloup, B. Mathieu, and P. Lanusse, “The CRONE control of resonant plants: application to a flexible transmission, ” Euro. J. Control, Vol. 1, , pp. 113-121, Feb.., 1995[9] A. Oustaloup, X. 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