基于內(nèi)膜控制的先進(jìn)控制

1、基于基于內(nèi)模內(nèi)?？刂瓶刂频牡?PID控制器的控制器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(diǎn)論文要點(diǎn)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(qiáng)魯棒性和有效的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，具有強(qiáng)魯棒性和有效的實(shí)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(jì)中，并建控制器的設(shè)計(jì)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(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域具有本文在前人的基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域具有代表性過程控制對(duì)象，給出了基于內(nèi)?？刂频拇硇赃^程控制對(duì)象，給出了基于內(nèi)?？刂频腜ID控制器控制器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法。課題方向課題方向 （1） 基于內(nèi)?？刂圃?，針對(duì)典型的工業(yè)過程對(duì)象，基于內(nèi)?？刂圃恚?/p>

3、對(duì)典型的工業(yè)過程對(duì)象，給出了給出了PID控制器的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論的觀控制器的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)現(xiàn)代控制理論的觀點(diǎn)，證明了點(diǎn)，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(duì)象的仿真研究，將該方法應(yīng)用于典型的工業(yè)過程對(duì)象的仿真研究，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng)，只有濾波器的時(shí)間常數(shù)控制系統(tǒng)，只有濾波器的時(shí)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(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。具有很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)，無需增加硬件投資，易實(shí)現(xiàn)，無需增加硬件投資，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。論文要點(diǎn)：內(nèi)膜控制論文要點(diǎn)：內(nèi)膜控制內(nèi)?？刂苾?nèi)模控制:內(nèi)?？刂频幕窘Y(jié)構(gòu)如圖內(nèi)模控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中所示，圖中P( s)為實(shí)際被控過為實(shí)際被控過程對(duì)象，程對(duì)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)模控制器，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(hào)。統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號(hào)。通過求取參考輸入通過求取參考輸入R(s)和擾動(dòng)輸入和擾動(dòng)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(dòng)，且沒有外界擾動(dòng)，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(shí)反饋信號(hào)為零。這樣在無模型不確定性和無未知輸入時(shí)反饋信號(hào)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)。基于基于內(nèi)膜控制內(nèi)膜控制的的PID控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì)： 具有內(nèi)?？刂平Y(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(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破鲀?nèi)模控制器 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(jià)，因而從內(nèi)模控制的角度來設(shè)計(jì)等價(jià)，因而從內(nèi)模控制的角度來設(shè)計(jì)PID控制控制器。通常內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)過程如下器。通常內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)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(jì)為抑制模型誤差對(duì)系統(tǒng)的模型誤差的魯棒性設(shè)計(jì)為抑制模型誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，增加系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加入一個(gè)低通濾影響，增加系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加入一個(gè)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)?？刂破鲀?nèi)模控制器通過求取參考輸入通過求取參考輸入R(s)和擾動(dòng)輸入和擾動(dòng)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)?？刂破鲀?nèi)?？刂破饕浑A系統(tǒng)一階系統(tǒng)當(dāng)過程模型已知時(shí)，根據(jù)上式和當(dāng)過程模型已知時(shí)，根據(jù)上式和P

8、ID控制算式，由控制算式，由s多項(xiàng)多項(xiàng)式各項(xiàng)冪次系數(shù)對(duì)應(yīng)相等的原則，求解可得基于內(nèi)模控式各項(xiàng)冪次系數(shù)對(duì)應(yīng)相等的原則，求解可得基于內(nèi)?？刂圃淼闹圃淼腜ID控制器各參數(shù)。控制器各參數(shù)。3.2一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)可以看出，對(duì)于一階系統(tǒng)，基于內(nèi)模控制原理設(shè)計(jì)的控可以看出，對(duì)于一階系統(tǒng)，基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計(jì)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(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化是不靈敏的。余差的，并可以證明對(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化是不靈敏的。而基于內(nèi)模原理所設(shè)計(jì)的控制器也是而基于內(nèi)模原理所設(shè)計(jì)的控制器也是PI控

9、制器，這說明控制器，這說明基于內(nèi)模控制原理設(shè)計(jì)的基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計(jì)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。控制選型原則的。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(shí)，即當(dāng)過程模型是二階系統(tǒng)時(shí)，即:可以看出，對(duì)于二階對(duì)象，基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計(jì)的控制器為PID控制器，其中二階系統(tǒng)二階系統(tǒng) 對(duì)于二階對(duì)象，在設(shè)定值變化時(shí)，在目標(biāo)函數(shù)對(duì)于二階對(duì)象，在設(shè)定值變化時(shí)，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(duì)于過程參數(shù)的變化是不靈敏的。這同樣可說明對(duì)于它對(duì)于過程參數(shù)的變化是不靈敏的。這同樣可說明對(duì)于二階對(duì)象基于內(nèi)模控制原理設(shè)計(jì)的二階對(duì)象基于內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計(jì)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(jì)過程可以看出時(shí)間常數(shù)控制器的設(shè)計(jì)過程可以看出時(shí)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(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力情況下