基于內(nèi)膜控制的先進(jìn)控制

1、基于基于內(nèi)模內(nèi)模控制控制的的 PID控制器的控制器的設(shè)計設(shè)計論文框架論文框架研究背景研究背景課題方向課題方向論文要點論文要點結(jié)論結(jié)論1234研究背景研究背景 （1） 過程工業(yè)中使用的調(diào)節(jié)器主要是過程工業(yè)中使用的調(diào)節(jié)器主要是PID型的，它型的，它結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有強魯棒性和有效的實際應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有強魯棒性和有效的實際應(yīng)用。因而因而PID控制器參數(shù)的整定方法長期受過程控制界的關(guān)注?？刂破鲄?shù)的整定方法長期受過程控制界的關(guān)注。 （2） 其整定方法有許多，如早期的其整定方法有許多，如早期的Ziegler - Nichols的閉環(huán)臨界比例度法，的閉環(huán)臨界比例度法，Cohen - C

2、oon的開環(huán)反應(yīng)曲線法，的開環(huán)反應(yīng)曲線法，以及其它一些基于最小誤差積分的方法。以及其它一些基于最小誤差積分的方法。Rivera1 等人等人首先將內(nèi)模控制的思想引入到首先將內(nèi)?？刂频乃枷胍氲絇ID控制器的設(shè)計中，并建控制器的設(shè)計中，并建立了濾波器參數(shù)與立了濾波器參數(shù)與PID控制器參數(shù)的關(guān)系控制器參數(shù)的關(guān)系。 （3）本文在前人的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)控制領(lǐng)域具有本文在前人的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)控制領(lǐng)域具有代表性過程控制對象，給出了基于內(nèi)?？刂频拇硇赃^程控制對象，給出了基于內(nèi)?？刂频腜ID控制器控制器設(shè)計方法設(shè)計方法。課題方向課題方向 （1） 基于內(nèi)?？刂圃?，針對典型的工業(yè)過程對象，基于內(nèi)?？刂圃恚?/p>

3、對典型的工業(yè)過程對象，給出了給出了PID控制器的設(shè)計方法，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論的觀控制器的設(shè)計方法，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論的觀點，證明了點，證明了該方法符合線性二次型最優(yōu)控制的選型原則該方法符合線性二次型最優(yōu)控制的選型原則。 （2） 將該方法應(yīng)用于典型的工業(yè)過程對象的仿真研究，將該方法應(yīng)用于典型的工業(yè)過程對象的仿真研究，結(jié)果表明所設(shè)計的結(jié)果表明所設(shè)計的PID控制系統(tǒng)，只有濾波器的時間常數(shù)控制系統(tǒng)，只有濾波器的時間常數(shù)是需要整定的參數(shù)，方法比較簡單，并且在系統(tǒng)特性變化是需要整定的參數(shù)，方法比較簡單，并且在系統(tǒng)特性變化的情況下的情況下具有很強的魯棒性和抗干擾能力。具有很強的魯棒性和抗干擾能力。（3） 此

4、外，該方法在現(xiàn)有的可編程控制器此外，該方法在現(xiàn)有的可編程控制器(PLC)、智能、智能儀表、集散控制系統(tǒng)儀表、集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中都很容和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中都很容易實現(xiàn)，無需增加硬件投資，易實現(xiàn)，無需增加硬件投資，具有較高的工程應(yīng)用價值。具有較高的工程應(yīng)用價值。論文要點：內(nèi)膜控制論文要點：內(nèi)膜控制內(nèi)模控制內(nèi)?？刂?內(nèi)?？刂频幕窘Y(jié)構(gòu)如圖內(nèi)?？刂频幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中所示，圖中P( s)為實際被控過為實際被控過程對象，程對象， M ( s)為被控過程的數(shù)學(xué)模型，為被控過程的數(shù)學(xué)模型， Q ( s)即內(nèi)部模即內(nèi)部模型，型，U ( s)為內(nèi)?？刂破?，為內(nèi)?？刂破?，R(s)，

5、Y（s） ， D（s）分別為系分別為系統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號。統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號。通過求取參考輸入通過求取參考輸入R(s)和擾動輸入和擾動輸入D(s)與過程輸出與過程輸出Y(s)之間的傳遞函數(shù)，易得出系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)為之間的傳遞函數(shù)，易得出系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)為內(nèi)膜控制內(nèi)膜控制 如果模型準(zhǔn)確，即如果模型準(zhǔn)確，即M ( s) = P( s) ，且沒有外界擾動，且沒有外界擾動，即即D( s) = 0 ，則模型的輸出，則模型的輸出Y(s)與過程的輸出與過程的輸出Y相等，此相等，此時反饋信號為零。這樣在無模型不確定性和無未知輸入時反饋信號為零。這樣在無模型不確定性和無未知輸入的條件下，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)

6、結(jié)構(gòu)。的條件下，內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)?；诨趦?nèi)膜控制內(nèi)膜控制的的PID控制器的設(shè)計控制器的設(shè)計： 具有內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)的具有內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)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：內(nèi)膜控制內(nèi)膜控制的的PID控制器的控制器的設(shè)計設(shè)計內(nèi)模控制器內(nèi)?？刂破?其其目的是將內(nèi)?？刂破鬓D(zhuǎn)化為目的是將內(nèi)?？刂破鬓D(zhuǎn)化為PID類型的解，即使式類型的解，即使式(3)和式和式(4)等價，因而從內(nèi)?？刂频慕嵌葋碓O(shè)計等價，因而從內(nèi)?？刂频慕嵌葋碓O(shè)計PID控制控制器。通常內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計過程如下器。通常內(nèi)模控制器的設(shè)計過程如下2 :第一步第一步:把模型分解為全通部分把模型分解為全通

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:模型誤差的魯棒性設(shè)計為抑制模型誤差對系統(tǒng)的模型誤差的魯棒性設(shè)計為抑制模型誤差對系統(tǒng)的影響，增加系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加入一個低通濾影響，增加系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加入一個低通濾波器波器F( s) ，一般，一般F( s)取最簡單形式如下取最簡單形式如下: 內(nèi)模控制器內(nèi)?？刂破魍ㄟ^求取參考輸入通過求取參考輸入R(s)和擾動輸入和擾動輸入D(s)與過程輸出與過程輸出Y(s)之間的傳遞函數(shù)，易得出系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)為之間的傳遞函數(shù)，易得出系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)為內(nèi)模控制器內(nèi)?？刂破饕浑A系統(tǒng)一階系統(tǒng)當(dāng)過程模型已知時，根據(jù)上式和當(dāng)過程模型已知時，根據(jù)上式和P

8、ID控制算式，由控制算式，由s多項多項式各項冪次系數(shù)對應(yīng)相等的原則，求解可得基于內(nèi)模控式各項冪次系數(shù)對應(yīng)相等的原則，求解可得基于內(nèi)模控制原理的制原理的PID控制器各參數(shù)?？刂破鞲鲄?shù)。3.2一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)可以看出，對于一階系統(tǒng)，基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的控可以看出，對于一階系統(tǒng)，基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的控制器為制器為PI控制器，其中控制器，其中 在目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)控制規(guī)律是比例在目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)控制規(guī)律是比例+積分，且是無積分，且是無余差的，并可以證明對于對象參數(shù)的變化是不靈敏的。余差的，并可以證明對于對象參數(shù)的變化是不靈敏的。而基于內(nèi)模原理所設(shè)計的控制器也是而基于內(nèi)模原理所設(shè)計的控制器也是PI控

9、制器，這說明控制器，這說明基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的PID控制器是符合二次型最優(yōu)控制器是符合二次型最優(yōu)控制選型原則的?？刂七x型原則的。一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)二階結(jié)構(gòu)二階結(jié)構(gòu):當(dāng)過程模型是二階系統(tǒng)時，即當(dāng)過程模型是二階系統(tǒng)時，即:可以看出，對于二階對象，基于內(nèi)模控制原理設(shè)計的控制器為PID控制器，其中二階系統(tǒng)二階系統(tǒng) 對于二階對象，在設(shè)定值變化時，在目標(biāo)函數(shù)對于二階對象，在設(shè)定值變化時，在目標(biāo)函數(shù)(11)下下的的最優(yōu)控制規(guī)律是比例的的最優(yōu)控制規(guī)律是比例+積分積分+微分，而且也可以證明微分，而且也可以證明它對于過程參數(shù)的變化是不靈敏的。這同樣可說明對于它對于過程參數(shù)的變化是不靈敏的。這同樣可說明對于二階對象基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的二階對象基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計的PID控制器也是符合控制器也是符合線性二次型最優(yōu)控制選型原則的。線性二次型最優(yōu)控制選型原則的。二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)結(jié)論結(jié)論： 從以上內(nèi)模從以上內(nèi)模PID控制器的設(shè)計過程可以看出時間常數(shù)控制器的設(shè)計過程可以看出時間常數(shù)是需要整定的參數(shù)是需要整定的參數(shù),方法比較簡單方法比較簡單,并且在系統(tǒng)特性變化的并且在系統(tǒng)特性變化的情況下具有很強的魯棒性和抗干擾能力情況下