基于某内模原理地PID控制系统器全参数整定仿真实验.doc

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1、基于模原理的PID控制器参数整定仿真实验1.模控制模控制器（IMC）是部模型控制器（Internal model controller）的简称，由控制器和滤波器两部分组成，两者对系统的作用相对独立，前者影响系统的响应性能，后者影响系统的鲁棒性。它是一种实用性很强的控制方法，其主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确，调整容易。特别是对于鲁棒及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为显著。因此自从其产生以来，不仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用，在快响应的电机控制中也能取得了比PID更为优越的效果。IMC设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强，能消除不可

2、测干扰的影响，一直为控制界所重视模控制(InternalModelControlIMC)是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。其设计简单、控制性能良好，易于在线分析。它不仅是一种实用的先进控制算法，而且是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础，也是提高常规控制系统设计水平的有力工具。值得注意的是，目前已经证明，已成功应用于大量工业过程的各类预测控制算法本质上都属于IMC类，在其等效的IMC结构中特殊之处只是其给定输入采用了未来的超前值(预检控制系统)，这不仅可以从结构上说明预测控制为何具有良好的性能，而且为其进一步的深入分析和改进提供了有力的工具。

3、模控制的结构框图如图1：图1-1模控制的结构图其中，—模控制器；—实际被控过程对象；—被控过程的数学模型；—扰动通道传递函数。（1）当时，假若模型准确，即，由图可知，，假若“模型可倒”，即可以实现，则可令，可得，不管如何变化，对的影响为零。表明控制器是克服外界扰动的理想控制器。（2）当时，假若模型准确，即，又因为，则，有，。当模型没有误差，且没有外界扰动时，其反馈信号，表明控制器是跟踪变化的理想控制器2．基于IMC的控制器的设计2.1因式分解过程模型式中，包含了所有的纯滞后和右半平面的零点，并规定其静态增益1。为过程模型的最小相位部分。2.2设计IMC控制器这里F(S)

4、为IMC滤波器。选择滤波器的形式，以保证模控制器为真分式。对于阶跃输入信号，可以确定Ⅰ型IMC滤波器的形式为：对于斜坡输入信号，可以确定Ⅱ型IMC滤波器的形式为：为滤波时间常数，r为整数，选择原则是使成为有理传递函数。因此，假设模型没有误差，可得设时，。表明：滤波器F(s)与闭环性能有非常直接的关系。滤波器中的时间常数是个可调整的参数。时间常数越小，Y(s)对R(s)的跟踪滞后越小。事实上，滤波器在模控制中还有另一重要作用，即利用它可以调整系统的鲁棒性。其规律是，时间常数越大，系统鲁棒性越好。2.3与Smith预估控制器相比较由图1-1模控制的结构图，可以与Smith预

5、估控制器相比较。Smith预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。其特点是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。如果预估模型准确，该方法能后获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。在下图所示的单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts。图

6、1.2史密斯补偿后的控制系统此时系统的传递函数为：由上式可以看出，系统特征方程中含有纯滞后环节，它会降低系统的稳定性。史密斯补偿的原理是：与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图1.3所示。图1.3史密斯补偿后的控制系统由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为根据图1.3可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为由上式可以看出，经过补偿后，纯滞后环节在闭环回路外，这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。拉氏变换的位移定理说明e-

7、ts仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间t，而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同，其控制性能相当于无滞后系统2.4比较IMC和Smith预估控制两种控制策略2.4.1一阶系统IMC控制器的设计假设实际系统的,在MATLAB中利用simulink构造IMC和Smith预估控制两种结构图，并对控制器存在和不存在模型误差的情况进行分析控制效果。IMC控制器结构：图1.4IMC控制系统Smith预估控制结构：图1.5Smith预估控制系统（1）当IMC控制器和Smith预估控制器不存在模型误差时，输出的波形如下