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IMC-PID炉温控制器的设计与仿真

信息时间:2011-09-20 信息来源:西部工控网

     1  引言
                  
      内膜控制(internal model control,简称imc)是一种重要的控制结构,它是在控制反馈控制基础上变换产生的。其设计思路是将对象模型与实际对象相并联,控制器逼近模型的动态逆,对单变量系统而言内模控制器取为模型最小相位部分的逆,并通过附加低通滤波器以增强系统的鲁棒性。与传统的反馈控制相比,它能够清楚地表明调节参数和闭环响应及鲁棒性的关系,从而兼顾性能和鲁棒性。imc-pid参数整定方法只有一个需整定参数,且与闭环响应速度和鲁棒性直接相关,由于其性能优越,设计思路清晰,步骤简单,使其在控制领域和工程应用领域得到了普遍的重视。
               
    2  内膜控制结构
                   
      内模控制系统的一般结构如图1示,其中gimc(s)表示内模控制器,gp(s)表示过程,g’p(s)表示过程模型,gd(s)表示扰动通道传递函数。r为给定输入,u为控制量,y为对象输出,为模型输出,d为外界干扰。为了清楚内模控制系统与简单反馈控制系统结构的关系[3],可将图1用图2表示,其中gc(s)表示反馈控制器,gimc(s)表示内模控制器,gd(s)表示扰动通道传递函数,gp(s)表示过程,g’p(s)表示过程模型。
               
      由图1~2可知,图中的内模控制器,有:
    (1)

      对g’p(s)进行分解:
               
      g’p(s)= g’p+(s)×g’p-(s)          (2)
               
      内模控制器设计分为两步进行,首先设计一个稳定的理想控制器,而不考虑系统的鲁棒性和约束,其次引入滤波器,通过调整滤波器的结构和参数来获得期望的动态品质和鲁棒性。
    3  imc-pid控制器设计
               
      为了抑制模型误差对系统的影响,增加系统的稳性和鲁棒性,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:
    (3)
               
      式中阶次r取决于g’p-(s)的阶次以使控制可实现,λ为时间常数。
               
      在实际的工业过程控制器中,有许多的被控对象是一阶加纯滞后对象,而且一阶加纯滞后对象的结构相对而言比较简单,是为后面研究更加复杂对象的基础,所以研究一阶加纯滞后对象的内模pid控制器的设计具有理论和实际的意义。
               
      一阶时滞过程的imc-pid控制器设计。针对一阶加纯滞后过程模型的纯滞后项采用全极点逼近的方式对滞后环节e-τs进行近似[4],其中
    (4)
               
      将一阶加纯滞后对象分成两个部分

      这里使用一阶低通滤波器,令,


               
      得到反馈控制器:

    (5)
                  理想的pid控制器采用如下形式:
    (6)
         

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