基于内膜控制的先进控制.ppt

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 Rivera 1 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鲁棒性和抗干扰