基于内膜控制的先进控制

.,基于内模控制的PID控制器的设计,答辩人专业:,.,论文框架,研究背景课题方向论文要点结论,1,2,3,4,.,研究背景,（1）过程工业中使用的调节器主要是PID型的，它结构简单，易于操作，具有强鲁棒性和有效的实际应用。因而PID控制器参数的整定方法长期受过程控制界的关注。（2）其整定方法有许多，如早期的Ziegler-Nichols的闭环临界比例度法，Cohen-Coon的开环反应曲线法，以及其它一些基于最小误差积分的方法。Rivera1等人首先将内模控制的思想引入到PID控制器的设计中，并建立了滤波器参数与PID控制器参数的关系。（3）本文在前人的基础上，针对工业控制领域具有代表性过程控制对象，给出了基于内模控制的PID控制器设计方法。,.,课题方向,（1）基于内模控制原理，针对典型的工业过程对象，给出了PID控制器的设计方法，并根据现代控制理论的观点，证明了该方法符合线性二次型最优控制的选型原则。（2）将该方法应用于典型的工业过程对象的仿真研究，结果表明所设计的PID控制系统，只有滤波器的时间常数是需要整定的参数，方法比较简单，并且在系统特性变化的情况下具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。（3）此外，该方法在现有的可编程控制器(PLC)、智能仪表、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统中都很容易实现，无需增加硬件投资，具有较高的工程应用价值。,.,论文要点：内膜控制,内模控制:内模控制的基本结构如图1所示，图中P(s)为实际被控过程对象，M(s)为被控过程的数学模型，Q(s)即内部模型，U(s)为内模控制器，R(s)，Y（s），D（s）分别为系统的输入、输出和干扰信号。,.,通过求取参考输入R(s)和扰动输入D(s)与过程输出Y(s)之间的传递函数，易得出系统闭环响应为,内膜控制,.,如果模型准确，即M(s)=P(s)，且没有外界扰动，即D(s)=0，则模型的输出Y(s)与过程的输出Y相等，此时反馈信号为零。这样在无模型不确定性和无未知输入的条件下，内模控制系统具有开环结构。基于内膜控制的PID控制器的设计：具有内模控制结构的PID控制器理想的PID控制器具有如下的形式：,内膜控制的PID控制器的设计,.,内模控制器,其目的是将内模控制器转化为PID类型的解，即使式(3)和式(4)等价，因而从内模控制的角度来设计PID控制器。通常内模控制器的设计过程如下2:第一步:把模型分解为全通部分M+和最小相位部分M-，即,.,第二步:模型误差的鲁棒性设计为抑制模型误差对系统的影响，增加系统的鲁棒性，在控制器中加入一个低通滤波器F(s)，一般F(s)取最简单形式如下:,内模控制器,.,通过求取参考输入R(s)和扰动输入D(s)与过程输出Y(s)之间的传递函数，易得出系统闭环响应为,内模控制器,.,一阶系统,当过程模型已知时，根据上式和PID控制算式，由s多项式各项幂次系数对应相等的原则，求解可得基于内模控制原理的PID控制器各参数。3.2一阶系统可以看出，对于一阶系统，基于内模控制原理设计的控制器为PI控制器，其中,.,在目标函数下的最优控制规律是比例+积分，且是无余差的，并可以证明对于对象参数的变化是不灵敏的。而基于内模原理所设计的控制器也是PI控制器，这说明基于内模控制原理设计的PID控制器是符合二次型最优控制选型原则的。,一阶系统,.,二阶结构:当过程模型是二阶系统时，即:,可以看出，对于二阶对象，基于内模控制原理设计的控制器为PID控制器，其中,二阶系统,.,对于二阶对象，在设定值变化时，在目标函数(11)下的的最优控制规律是比例+积分+微分，而且也可以证明它对于过程参数的变化是不灵敏的。这同样可说明对于二阶对象基于内模控制原理设计的PID控制器也是符合线性二次型最优控制选型原则的。,二阶系统,.,结论：从以上内模PID控制器的设计过程可以看出时间常数是需要整定的参数,方法比较简单,并且在系统特性变化的情况下具有很强的