MATLAB-SIMULINK不稳定过程的智能控制及其应用仿真

1、-范文最新推荐- MATLAB/SIMULINK不稳定过程的智能控制及其应用仿真 摘要：本文主要讨论了不稳定时滞过程的控制方法。通过引入一个负反馈，采用双环控制结构，在内模控制原理的基础上采用双自由度PID控制器的原理的设计方法和思路，最终实现对不稳定时滞过程的智能控制。通过该方法设计出的两个独立控制具有两个可调参数，分别调节系统目标的跟踪特性和系统对外界的干扰抑制特性，从而实现对目标的最优控制，本文最后通过MATLAB/SIMULINK软件的仿真举例证实该方法具有参数调节方便、超调时间短、控制更加精确等优点。5291关键词：智能控制;不稳定;二自由度控制;内模控制Intelligent Co

2、ntrol And Its Application Of The Unstable ProcessAbstract:This article mainly discusses the control method for unstable processes with time delay. By introducing a negative feedback, the use of double-loop control structure, in the intima control theory based on the dual principle of freedom PID con

3、troller design methods and ideas, and ultimately realize the intelligent control of unstable processes with time delay. Through this method to design a two independently controlled with two adjustable parameters, namely regulation system target tracking features and systems outside interference supp

4、ression characteristics, in order to achieve optimal control of the target. This article finally by MATLAB/SIMULINK software simulations easy to confirm that the method has a parameter, for example overshoot time shorter, more precise control and so on.Key words: Intelligent Control;unstable;Two-deg

5、ree-of-freedom;Internal model control ( IMC)目录摘要1引言11 智能控制的发展及现状21.1 现代控制理论简介21.2 现代控制理论发展过程21.3 现代控制理论与传统控制理论的比较3 1.1 现代控制理论简介传统控制理论分析和设计控制系统采用的方法是频率特性法和根轨迹法。这两种方法能很好的分析并设计线性和定长单变量系统。但是，传统控制理论采用的这种方法对时变系统，非线性系统，多变量系统等控制效果不理想4。而且，随着工业在生产过程中对自动化的要求水平越来越高，其控制的任务也向更发杂的方向发展，同时对被控制量精度的要求也日益增高。现代控制理论就是状态空

6、间描述作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析，直接从时间域对多输入和多输出的控制系统的研究，设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。状态空间方法属于时域方法，其核心是做优化技术。19世纪70年代现代控制理论才逐渐出现，现代控制理论和经典控制理论不同。随着现代控制理论的日益成熟，主要应用于航天、通信，军事、国防，甚至生态过程中，同时现代控制的某些思想和方法，还应用于许多国家管理中，如：交通管理，经济的调控和人口的控制等领域5。1.2 现代控制理论发展过程二十世纪五十年代末开始，随着科学技术和计算机的飞速发展，带动了空间技术，核能技术发展，从而逐渐出现了许多对非线性系统，多输入和多输

7、出系统和时变系统的分析和控制的方法。二十世纪五十年代后期，美国数学家贝尔曼（Bellman）等人提出的状态空间分析法奠定了控制理论的基础；紧接着贝尔曼1957年提出了动态规则进一步促进了控制技术的发展6；在二十世纪六十年代成功的把状态空间分析法应用到控制系统领域。随着控制技术的发展可控性、可观性和极大值、极小值原理等新概念相继出现。罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进

8、一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。二十世纪七十年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容7。二十世纪七十年代末，控制理论向着大系统理论、智能控制理论和复杂系统理论的方向发展，这些控制理论标志着现代控制理论的正式形成。 2 控制系统的分类2.1 反馈控制系统能对输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。室温控制系统就是反馈系统的例子。通过实际室温，并且将其与参考温度（希望的室温）进行比较，温室调机器就会按照

9、某种方式，加温或冷却设备打开或关闭，从而将室温保持在使人们感到舒适的水平上，且与外界条件无关。反馈系统并不限于工程系统，在各种不同的非工程领域，同样存在着反馈控制系统10。2.2 闭环控制系统闭环控制系统是在开环控制系统的基础上利用反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理就是把系统的输出信息和系统的输入进行比较，计算出与期望值的偏差并且采用适当的方法消除这种误差系使系统达到预期的性能。在闭环系统中不仅存在输入到输出的信号的正向通路，同时也包含由输出到输入的端的反馈信号通路组成的闭合回路。2.3 开环控制系统开环控制系统由控制器和被控对象组成，由输入端通过输入信号控制被控对象得输出，系统的输出端

10、与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的系统称开环，与闭环系统相对。在控制系统中，如果系统的控制输入不受输出影响的控制系统，则一般采用开环控制系统。在开环控制系统中，没有由输出端到输入端的反馈通路。开环控制系统由控制器与被控对象组成，控制器通常具有功率放大的功能。开环控制系统和闭环控制系统相比，其结构更简单也更容易控制。，并且也更经济。开环控制系统主要是用于增强型的系统。2.4 自动控制器简介自动控制器将被控对象输出量的实际值与参考输入量（要求的值）进行比较，确定出偏差，并产生控制信号，以便使偏差减小到零或很小的值。自动控制器产生控制信号的方式，称为控制

11、作用。 图3 二自由度控制器结构图如图3二自由度控制器结构图所示，主要把控制器采用适当的方法分成两部分，通过闭环控制原理的推导设计出两个独立的控制器，这两个控制器分别来实现对目标的跟踪特性和对目标的干扰抑制特性，从而达到最优控制。3.2 单自由度系统图2所示的系统，图中系统受到揉动输入d(t)和噪声输入n(t)的作用Gp(s)是控制系统的传递函数。假设Gp(s) 是固定的并且是不可改变的。对于这个系统，我们可以导出3个闭环传递函数，也就是Y(s) /R（s）=Gyr，Y(s)/D(s)=Gyd以及Y(s)/N(s)=Gyn。在推导Y(s) /R(s)时，假设D(s)=0以及N(s)=0。同理，

12、在推导Y(s)/D(s)和Y(s)/N(s)时，分别应用类似的推导条件。所谓控制系统的自由度是指闭环传递函数中有几个是独立的。在当前情况下有：在3个闭环传递函数 , , 中，如果给定其中一个，其余两个便被固定了。这意味着图一所示的系统是一个单自由度系统。3.3 二自由度系统下面讨论图3所给的系统，在图中 为控制对象的传递函数，假设它是固定的并且是不能改变的。对于这个系统，闭环传递函数 , 和 分别为：由式(10)可以得到，如果给定 ，就是固定的，由于 与 是无关的，所以 不是固定的。因此。在这3个闭环传递函数 ,和 中，有两个闭环传递函数是独立的。类似的图4所示的系统也是一个双自由度控制系统。

13、图4 复合前馈型双自由度控制系统因为对于该系统而言，存在下列关系式：从以上两式我们可以看到，如果给定 ，那么 是固定的。但是 并不是固定的，因此 和 无关。3.4 二自由度对系统的调节当我们设计系统的时候，一些瞬态响应特性是我们的重要参考依据。例如阶跃响应中的上升时间，最大超调量和调整时间。同时我们也要参考一些稳态特性，例如斜坡输入的跟踪误差。 3.5 S域判断系统稳定性的方法零极点对系统输出的影响：极点确定了系统的运动模态决定了系统的稳定性， 零点改变各模态在输出中的比例关系15。（1）极点全部位于s平面的左半开平面，系统是稳定的。（2）极点分布于s平面的右半开平面或虚轴上 的重阶极点，系统

14、是不稳定的。（3）极点中除分布于s平面的左半开平面上的极点外，只要在虚轴上有一对单阶极点或坐标原点有一个单阶极点，则系统为临界稳定。3.6 内模控制原理内模控制简称IMC。内模控制器的设计是基于过程数学模型而形成的一种新型的控制器，这种控制策略不但设计简单，而且其控制性能和在对系统的分析能力上更具有优越性。由于内模控制器对偶稳定性、控制参数的方便性和在引入滤波器后系统能获得很好的鲁棒性等特性使其应用非常广泛，内模控制可以与许多控制系统相结合形成新的控制系统在工程实践中都取得了良好的效果。图6 为内模控制的结构图。图 6 内模控制的结构图 6 中 G(s)为实际被控过程; G(s) 为被控过程的

15、数学模型, 即内部模型; Gc(s) 为内模控制器;R(s) 、D(s) 、分别为参考输入和外界干扰的输入，Y(s)是过程输出。 由图 6 可得其关系式：由式（1）得，当：，且 时，有：(17)根据参考量的输入，系统得到相应的输出，外界的干扰对输出无影响，但由于模型和实际过程之间存在差异，所以实际被控过程不容易建立准确的数学模型。同时, 当 中含有右半平面零点时,没有办法完成, 也没办法实现指定的理想特性，可是，通过适当的办法设计我们可以依据被控过程的特点，设计出内模控制器 ，从而实现对系统的完美控制。其设计计步骤分两部分： 设一阶不稳定时滞过程 的产地函数为:可采用如图9所示的控制器来实现对

16、其智能控制，它是基于内模控制的二自由度控制框图。图9 不稳定过程控制框图由图9可以将广义的 等效为：（23）将上面传递函数分母中的纯滞后环节采用二阶Taylor 逼近,得到如下结果:(24)然后依据劳斯稳定判据, 当时, 内环系统 是稳定的. 根据最佳增益裕量的要求取(26)由式(25)中得到只有当 时, 才能稳定,也就是说这样的结论只能适应一些小的时滞过程，因此 经过参数调整后，可以用一个等效的广义对象 来替换 ，如图8所示。把式(24)中分子的纯滞后环节分别用一阶和二阶Taylor逼近, 于是就得到了广义对象 的数学模型：由此刻得到, 模型包含右半平面零点, 根据内模控制原理,采用式(29)所示的低通滤波器:，（29）由式(17) ，(27) 和(28) ,可以得