基于内膜控制的先进控制

1、基于基于内模内模控制控制的的 PID控制器的控制器的设计设计论文框架论文框架研究背景研究背景课题方向课题方向论文要点论文要点结论结论1234研究背景研究背景 （1） 过程工业中使用的调节器主要是过程工业中使用的调节器主要是PID型的，它型的，它结构简单，易于操作，具有强鲁棒性和有效的实际应用。结构简单，易于操作，具有强鲁棒性和有效的实际应用。因而因而PID控制器参数的整定方法长期受过程控制界的关注。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，如早期的其整定方法有许多，如早期的Ziegler - Nichols的闭环临界比例度法，的闭环临界比例度法，Cohen - C

2、oon的开环反应曲线法，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。以及其它一些基于最小误差积分的方法。Rivera1 等人等人首先将内模控制的思想引入到首先将内模控制的思想引入到PID控制器的设计中，并建控制器的设计中，并建立了滤波器参数与立了滤波器参数与PID控制器参数的关系控制器参数的关系。 （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代表性过程控制对象，给出了基于内模控制的PID控制器控制器设计方法设计方法。课题方向课题方向 （1） 基于内模控制原理，针对典型的工业过程对象，基于内模控制原理，针

3、对典型的工业过程对象，给出了给出了PID控制器的设计方法，并根据现代控制理论的观控制器的设计方法，并根据现代控制理论的观点，证明了点，证明了该方法符合线性二次型最优控制的选型原则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，将该方法应用于典型的工业过程对象的仿真研究，结果表明所设计的结果表明所设计的PID控制系统，只有滤波器的时间常数控制系统，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的情况下具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。（3） 此

4、外，该方法在现有的可编程控制器此外，该方法在现有的可编程控制器(PLC)、智能、智能仪表、集散控制系统仪表、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统中都很容和现场总线控制系统中都很容易实现，无需增加硬件投资，易实现，无需增加硬件投资，具有较高的工程应用价值。具有较高的工程应用价值。论文要点：内膜控制论文要点：内膜控制内模控制内模控制:内模控制的基本结构如图内模控制的基本结构如图1所示，图中所示，图中P( s)为实际被控过为实际被控过程对象，程对象， M ( s)为被控过程的数学模型，为被控过程的数学模型， Q ( s)即内部模即内部模型，型，U ( s)为内模控制器，为内模控制器，R(s)，

5、Y（s） ， D（s）分别为系分别为系统的输入、输出和干扰信号。统的输入、输出和干扰信号。通过求取参考输入通过求取参考输入R(s)和扰动输入和扰动输入D(s)与过程输出与过程输出Y(s)之间的传递函数，易得出系统闭环响应为之间的传递函数，易得出系统闭环响应为内膜控制内膜控制 如果模型准确，即如果模型准确，即M ( s) = P( s) ，且没有外界扰动，且没有外界扰动，即即D( s) = 0 ，则模型的输出，则模型的输出Y(s)与过程的输出与过程的输出Y相等，此相等，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

6、结构。的条件下，内模控制系统具有开环结构。基于基于内膜控制内膜控制的的PID控制器的设计控制器的设计： 具有内模控制结构的具有内模控制结构的PID控制器理想的控制器理想的PID控制器具控制器具有如下的形式：有如下的形式：内膜控制内膜控制的的PID控制器的控制器的设计设计内模控制器内模控制器 其其目的是将内模控制器转化为目的是将内模控制器转化为PID类型的解，即使式类型的解，即使式(3)和式和式(4)等价，因而从内模控制的角度来设计等价，因而从内模控制的角度来设计PID控制控制器。通常内模控制器的设计过程如下器。通常内模控制器的设计过程如下2 :第一步第一步:把模型分解为全通部分把模型分解为全通

7、部分M+和最小相位部分和最小相位部分M-，即即第二步第二步:模型误差的鲁棒性设计为抑制模型误差对系统的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影响，增加系统的鲁棒性，在控制器中加入一个低通滤波器波器F( s) ，一般，一般F( s)取最简单形式如下取最简单形式如下: 内模控制器内模控制器通过求取参考输入通过求取参考输入R(s)和扰动输入和扰动输入D(s)与过程输出与过程输出Y(s)之间的传递函数，易得出系统闭环响应为之间的传递函数，易得出系统闭环响应为内模控制器内模控制器一阶系统一阶系统当过程模型已知时，根据上式和当过程模型已知时，根据上式和P

8、ID控制算式，由控制算式，由s多项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制原理的PID控制器各参数。控制器各参数。3.2一阶系统一阶系统可以看出，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制器为PI控制器，其中控制器，其中 在目标函数下的最优控制规律是比例在目标函数下的最优控制规律是比例+积分，且是无积分，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。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而基于内模原理所设计的控制器也是PI控

9、制器，这说明控制器，这说明基于内模控制原理设计的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器是符合二次型最优控制选型原则的。控制选型原则的。一阶系统一阶系统二阶结构二阶结构:当过程模型是二阶系统时，即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，其中二阶系统二阶系统 对于二阶对象，在设定值变化时，在目标函数对于二阶对象，在设定值变化时，在目标函数(11)下下的的最优控制规律是比例的的最优控制规律是比例+积分积分+微分，而且也可以证明微分，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二阶对象基于内模控制原理设计的PID控制器也是符合控制器也是符合线性二次型最优控制选型原则的。线性二次型最优控制选型原则的。二阶系统二阶系统结论结论： 从以上内模从以上内模PID控制器的设计过程可以看出时间常数控制器的设计过程可以看出时间常数是需要整定的参数是需要整定的参数,方法比较简单方法比较简单,并且在系统特性变化的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情况下