干扰观测器与PID复合控制系统设计
一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
PID 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。
至今仍在控制系统的设计中充当着主要角色。
然而随着工业生产规模的增大以及自动化程度的提高，控制系统变得大规模、复杂化，人们对控制系统的要求也不断提高。
实际控制系统由于系统本身参数的时变性、外部干扰等不确定性因素的存在，使得传统PID控制很难达到人们期望的性能。
干扰观测器的基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型的差异等效到控制输入端即观测出等效干扰在控制中引入等效的补偿实现对干扰的完全抑制对外部干扰进行实时估计，并在PID控制器的输入端引入等效补偿，以抑制未知扰动和系统不确定性对系统性能产生的影响。
它能够有效提高闭环系统的跟踪精度、及时抑制干扰且结构简单、易于实现，受到业界的广泛关注。
本次设计一种干扰观测器与PID复合控制的系统，实现对外部干扰的实时估计和实时补偿，提高水箱液位的控制精度及鲁棒性。
主要参考文献和技术资料
1 蔺辉,田新锋.基于干扰观测器PID的直流电机速度控制[J].微电机,2011,44(9):29-30,65.
2 黄国勇.基于神经网络干扰观测器的Terminal滑模控制[J].吉林大学学报（工学版）,2011,41(6):1726-1730.
3 张伟伟,余岳峰,罗永浩.基于阶跃响应曲线拟合的链条锅炉快速建模方法[J].工业锅炉,2007,2:1-4.
4 薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,2005.6.
5 陈夕松,汪木兰.过程控制系统[M] .北京：科学出版社,2011.1.
6 李利娜;窦丽华;蔡涛;潘峰;基于干扰观测器的滑模变结构控制器设计[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 尹正男;具有鲁棒性的最优干扰观测器的系统性设计及其应用[D];上海交通大学;2012年
二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程
主要设计内容
本次设计以液位控制单元作为受控对象，考虑该液位控制系统由于受到水泵震动、外部干扰及建模误差等不确定因素的影响，将干扰观测器引入PCS液位控制单元中，设计一种干扰观测器与PID 复合控制的系统，实现对外部干扰的实时估计和实时补偿，提高水箱液位的控制精度及鲁棒性。
设计的思想
在一个实际的控制系统中，外部干扰会造成整个系统的控制品质下降，我们应当设计一种控制结构，将外部干扰进行有效地抑制。
如果我们采用一种结构，将外部干扰以及建模参数的变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制的输入端，就能够实现对外部干扰的抑制。
我们可以采用一种结构观测出外部干扰在输入端的等效干扰，并在斯通中引入等效的补偿，因此我们把基于这种思想设计的结构称为干扰观测器。
解决的关键问题
本设计中需要解决的关键问题有三个：
第一，建模的准确性；
第二，干扰观测器的设计；
第三，液位单元干扰观测器与PID复合控制系统在实验台上的调试；
在此设计中，建模的准确性是非常重要的，在实际的建模中，要做大量的实验来保证建模的准确性。
干扰观测器的设计也同样重要，它的好坏决定着实际控制系统本身的跟踪精度。
最后解决的关键问题就是在半实体平台上的调试，它是此次设计的重中之重，此次的设计最后的结果就是要在台子上调试出来，所以它是本次设计能否成功的关键。
采用的方案
本设计就采用前面所提及的干扰观测器和PID控制的复合控制系统，由于PID控制作为控制系统的主要手段，由于其结构简单、物理意义明确、易于掌握、并具有一定的鲁棒性，至今仍在控制系统的设计中充当着重要的角色。
然而随着工业生产规模的增大以及自动化程度的提高，控制系统变得大规模、复杂化，人们对控制系统的要求也不断提高。
实际控制系统由于系统本身参数的时变性、外部干扰等不确定性因素的存在，使得传统PID控制很难达到人们期望的性能。
干扰观测器是通过观测等效干扰，对外部干扰进行实时估计，并在PID控制器的输入端引入等效补偿，以抑制未知扰动和系统不确定性对系统性能产生的影响。
它能够有效提高闭环系统的跟踪精度、及时抑制干扰且结构简单、易于实现，受到业界的广泛关注。
基于这种思想设计出的干扰观测器的基本结构如图1所示，
图1 干扰观测器的基本结构 图中的
)
(s G
p
为对象的传递函数，d 为等效的干扰，d ˆ
为观测的干扰，u 为控制输入。
由此图可知等效干扰的估计值d ˆ
为：
d
e s s d e d G G p p =-∙∙+=-)()()(ˆ1
（1.1）
对实际物理系统，其实存在如下的问题： 在通常情况下,)
(s G
p
的相对阶不为零，其逆在物理上不可实现：
对象
)(s G n
的精确数学建模无法得到；
考虑到测量噪声的影响，该方法的控制性能将下降。
解决上述问题的唯一方法是在d ˆ
后面串入一个低通滤波器
)(s Q ,并用名义模型)(s G n 的逆
)
(1s G
n
-来代替
)
(s G
p
，从而得到图2所示的干扰观测器原理框图，其中虚线部分为干扰观测器。
图2 干扰观测器原理框图
图中c 为控制器输出，d 为系统的外部干扰，n 为传感器的等效测量误差，
d
f
ˆ为预测到的系统干扰，
)(s G
p
为被控对象的传递函数，)(s G n 为其参考模型，)(s Q 为干扰观测器的低通滤波器。
控制器的输出为：
d c u d
f
+-=ˆ （1.2）
式中，c 为PID 控制器的输出，d
f
ˆ为干扰d 的估计值。
由图（2）可得：
))
()()(()()
()()(1
1
1
1
1
11
z
G z G z z G z G z G z
G n
p
n
n
p
CY
Q --------+= （1.3）
))
()()(()())(1)(()()(1
1
1
1
1
111
z
G z G z z G z z G z G z
G n
p
n
n p DY
Q Q ---------+-= （1.4）
))
()()(()()
()()(1
1
1
1
111
z G z
G z z G z z G z
G n p
n
p
NY
Q Q --------+= （1.5）
设低通滤波器)(s Q 的频带为 f
q
，通过分析式（1.3），（1.4）可知：
当 f
q
f ≤时，1,0),(,1≈≈≈=G G G G NY D Y n CY s Q 。
当 f
q
f ≥
时，0)(),(),(,0≈=≈=s s s Q G G G G G NY P DY p CY 。
由上面分析可见，)(s Q 的设计是干扰观测器中的一个重要环节。
)(s G p )(1S G n
)(s Q c
u d y
_ _ n
n
d
f
ˆ
设计步骤
1. 根据设计任务查阅相关科技文献，掌握通讯、控制、建模及干扰观测器等技术背景知识；2．液位控制单元干扰观测器与PID复合控制系统设计方案论证；
3．利用OPC技术在MA TLAB平台下实现对液位单元的PID闭环控制；
4．基于响应曲线法建立一阶水箱原模型及逆模型；
5．干扰观测器与PID复合控制系统设计、仿真与实现；
6．液位单元干扰观测器与PID复合控制系统联调；。
