现代控制理论-先进的控制技术

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1、计算机控制系统的先进控制技术1.内模控制技术2.模型预测控制技术主要内容7．1内模控制技术内模控制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。它与史密斯预估控制很相似，有一个被称为内部模型的过程模型，控制器设计可由过程模型直接求取。设计简单、控制性能好、鲁棒性强，并且便于系统分析。图6－1内模控制结构框图——实际对象；——对象模型；——给定值；——系统输出；——在控制对象输出上叠加的扰动。内模控制器的设计思路是从理想控制器出发，然后考虑了某些实际存在的约束，再回到实际控制器的。1.什么是内模控制？讨论两种不同输入情况下，系统的输出情况：（1）当时：假若模型准确，即由图可

2、见假若“模型可倒”，即可以实现可得不管如何变化，对的影响为零。表明控制器是克服外界扰动的理想控制器。则令（2）当时：假若模型准确，即又因为，则表明控制器是跟踪变化的理想控制器。当模型没有误差，且没有外界扰动时其反馈信号——内模控制系统具有开环结构。2.内模控制器的设计步骤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，并规定其静态增益为1。为过程模型的最小相位部分。步骤2设计控制器这里f为IMC滤波器。选择滤波器的形式，以保证内模控制器为真分式。——整数，选择原则是使成为有理传递函数。对于阶跃输入信号，可以确定Ⅰ型IMC滤波器的形式对于斜坡输入信号，可以确定Ⅱ型IM

3、C滤波器的形式为——滤波器时间常数。因此，假设模型没有误差，可得设时表明：滤波器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，对的跟踪滞后越小。事实上，滤波器在内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。讨论（1）当,,时，滤波时间常数取不同值时，系统的输出情况。（2）当,，由于外界干扰使由1变为1.3，取不同值时，系统的输出情况。例7－1过程工业中的一阶加纯滞后过程（无模型失配和无外部扰动的情况）。则在单位阶跃信号作用下，设计IMC控制器为1～4曲线分别为取0.1、0.5、1.2、2.5时，

4、系统的输出曲线。图6－2过程无扰动图6－3过程有扰动例7－2考虑实际过程为内部模型为(a)IMC系统结构（b）Smith预估控制系统结构图6－4存在模型误差时的系统结构图比较IMC和Smith预估控制两种控制策略。不存在模型误差仿真输出存在模型误差时IMC仿真存在模型误差时Smish预估控制仿真(a)(b)(c)3内模PID控制图6－6内模控制的等效变换图中虚线方框为等效的一般反馈控制器结构图中虚线方框为内模控制器结构用IMC模型获得PID控制器的设计方法反馈系统控制器为即因为在时，得：可以看到控制器的零频增益为无穷大。因此可以消除由外界阶跃扰动引起的余差。这表明尽管内模控制器

5、本身没有积分功能，但由内模控制的结构保证了整个内模控制可以消除余差。例7－3设计一阶加纯滞后过程的IMC－PID控制器。⑴对纯滞后时间使用一阶Pade近似⑵分解出可逆和不可逆部分⑶构成理想控制器⑷加一个滤波器这时不需要使为有理，因为PID控制器还没有得到，容许的分子比分母多项式的阶数高一阶。由：展开分子项①选PID控制器的传递函数形式为②比较①②式，用乘以②式与常规PID控制器参数整定相比，IMC－PID控制器参数整定仅需要调整比例增益。比例增益与是反比关系，大，比例增益小，小，比例增益大。得：4.内模控制的离散算式图6－7离散形式的内模控制式中，为过程非最小相位部分，包含纯滞

6、后，包含单位圆外的零点，和的静态增益均为1。如果过程包含N个采样周期的纯滞后，则在过程没有纯滞后的情况下，。反映采样过程的固有延迟。步骤1因式分解过程模型如果过程模型中包含有单位圆外的零点式中，是的零点，而且如果系统没有零点步骤2设计控制器是可调整参数，当很小，能改善闭环性能，但对模型误差变得敏感；而当较大时，则相反。——采样周期，——滤波器的时间常数7．2模型预测控制技术模型预测控制算法是以模型为基础，同时包含有预测的原理；另外，作为一种优化控制算法，它还具有最优控制的基本特征。模型预测控制不管其算法形式如何，都具有以下三个基本特征；即模型预测、滚动优化和反馈校正。⑴模型预测

7、模型预测控制算法是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。系统在预测模型的基础上根据对象的历史信息和未来输入预测其未来的输出，并根据被控变量与设定值之间的误差确定当前时刻的控制作用。其预测模型的结构形式可为状态方程、传递函数这类传统的模型。对于线性稳定对象，甚至阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型也可直接作为预测模型使用。而对于非线性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可作为预测模型使用。⑵滚动优化模型预测控制是一种优化控制算法，它通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用。这一