演示文稿內(nèi)?？刂萍夹g(shù)第1頁，共35頁。（優(yōu)選）內(nèi)?？刂萍夹g(shù)第2頁，共35頁。二、控制系統(tǒng)中純滯后傳遞函數(shù)模型典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)1.一階2.二階3.非自平衡過程第3頁，共35頁。三、純滯后特性對控制系統(tǒng)的影響控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)R（s）F（s）Y（s）-+Gc(s)G(s)Gf(s)Gm(s)第4頁，共35頁。三、純滯后特性對控制系統(tǒng)的影響

1.純滯后出現(xiàn)在干擾通道系統(tǒng)的穩(wěn)定性不受純滯后特性的影響

2.純滯后出現(xiàn)在反饋通道特征根受到純滯后時間的影響，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)變差。

3.純滯后出現(xiàn)在前向通道影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)。第5頁，共35頁。四、純滯后系統(tǒng)的MATLAB計算及仿真

1.純滯后特性的近似用MATLAB函數(shù)命令pade()來近似其傳遞函數(shù)。

[np,dp]=pade(tan,n)2.帶純滯后特性閉環(huán)系統(tǒng)的近似模型R（s）Y（s）-Gc(s)G(s)Gm(s)帶純滯后特性閉環(huán)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖第6頁，共35頁。2.帶純滯后特性閉環(huán)系統(tǒng)的近似模型R（s）Y（s）-Gc(s)G(s)Gm(s)帶純滯后特性閉環(huán)系統(tǒng)的近似結(jié)構(gòu)圖Pd(s)第7頁，共35頁。3.仿真實例：已知大純滯后系統(tǒng)的被控廣義對象傳遞函數(shù)為設(shè)定控制用PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為對系統(tǒng)的PID控制與Smith控制分別進(jìn)行仿真。第8頁，共35頁。PID控制的仿真程序%L5405a.mn1=[2];d1=[41];G1=tf(n1,d1);tau=4;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp);n2=[7.0234.2950.06875];d2=[0.92876.0950];G2=tf(n2,d2);sys=feedback(G1*G2,Gp);[y,t]=step(sys);set(sys,'Td',tau);t1=[0:0.01:200]';step(sys,t1)第9頁，共35頁。PID控制的階躍響應(yīng)曲線超調(diào)量：8.7348%，峰值時間：6.5780s，調(diào)節(jié)時間：7.0166s第10頁，共35頁。Smith預(yù)估控制的仿真程序%L1517a.mn1=[2];d1=[41];G1=tf(n1,d1);tau=4;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp);n2=[7.0234.2950.06875];d2=[0.92876.0950];G2=tf(n2,d2);sys=feedback(G1*G2,1);[y,t]=step(sys);set(sys,'Td',tau);t=[0:0.01:400]';step(sys,t)第11頁，共35頁。Smith預(yù)估控制的階躍響應(yīng)曲線較好的控制了對PID控制的振蕩曲線，使被延遲了的被控量提前反映到調(diào)節(jié)器，減小超調(diào)使之成為單調(diào)上升的過程。第12頁，共35頁。第二節(jié)內(nèi)?？刂萍夹g(shù)

內(nèi)?？刂?InternalModelControl——IMC）是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計的新型控制策略。它與史密斯預(yù)估控制很相似，有一個被稱為內(nèi)部模型的過程模型，控制器設(shè)計可由過程模型直接求取。設(shè)計簡單、控制性能好、魯棒性強(qiáng)，并且便于系統(tǒng)分析。第13頁，共35頁。圖6－1內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖

——實際對象；

——對象模型；

——給定值；

——系統(tǒng)輸出；

——在控制對象輸出上疊加的擾動。

內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計思路是從理想控制器出發(fā)，然后考慮了某些實際存在的約束，再回到實際控制器的。1.什么是內(nèi)?？刂疲康?4頁，共35頁。討論兩種不同輸入情況下，系統(tǒng)的輸出情況：

（1）當(dāng)時：假若模型準(zhǔn)確，即

由圖可見

假若“模型可倒”，即可以實現(xiàn)可得不管如何變化，對的影響為零。表明控制器是克服外界擾動的理想控制器。則令第15頁，共35頁。（2）當(dāng)時：假若模型準(zhǔn)確，即

又因為，則表明控制器是跟蹤變化的理想控制器。

其反饋信號——內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)模型沒有誤差，且沒有外界擾動時

第16頁，共35頁。1.對偶穩(wěn)定性若模型是準(zhǔn)確的，則IMC系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定的充要條件是過程與控制器都是穩(wěn)定的。所以，IMC系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性只取決于前向通道的各環(huán)節(jié)自身的穩(wěn)定性。結(jié)論：對于開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，在使用IMC之前將其穩(wěn)定。

內(nèi)模控制的主要性質(zhì)第17頁，共35頁。2.理想控制器特性當(dāng)模型是準(zhǔn)確的，且模型穩(wěn)定，若設(shè)計控制器使，且存在并可實現(xiàn)則，控制器具有理想控制器特性，即在所有時間內(nèi)和任何干擾作用下，系統(tǒng)輸出都等于輸入設(shè)定值，保證對參考輸入的無偏差跟蹤。

內(nèi)?？刂频闹饕再|(zhì)第18頁，共35頁。3.零穩(wěn)態(tài)偏差特性

I型系統(tǒng)（模型存在偏差，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，只要設(shè)計控制器滿足即控制器的穩(wěn)態(tài)增益等于模型穩(wěn)態(tài)增益的倒數(shù)。）對于階躍輸入和常值干擾均不存在穩(wěn)態(tài)誤差。

II型系統(tǒng)（模型存在偏差，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，只要設(shè)計控制器滿足，且）對于所有斜坡輸入和常值干擾均不存在穩(wěn)態(tài)誤差。

IMC系統(tǒng)本身具有偏差積分作用。

內(nèi)?？刂频闹饕再|(zhì)第19頁，共35頁。1.若對象含有滯后特性則中含有純超前項，物理上難以實現(xiàn)。2.若對象含有s平面右半平面（RHP）零點，則中含有RHP極點，控制器本身不穩(wěn)定，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.若對象模型嚴(yán)格有理，則非有理，即中將出現(xiàn)N階微分器，對過程測量信號中的噪聲極為敏感，不切實際。4.采用理想控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，對模型誤差極為敏感，魯棒性、穩(wěn)定性變差。

內(nèi)模控制的實現(xiàn)問題第20頁，共35頁。2.內(nèi)模控制器的設(shè)計

步驟1因式分解過程模型式中，包含了所有的純滯后和右半平面的零點，并規(guī)定其靜態(tài)增益為1。為過程模型的最小相位部分。步驟2設(shè)計控制器

這里f為IMC濾波器。選擇濾波器的形式，以保證內(nèi)模控制器為真分式。第21頁，共35頁?！麛?shù)，選擇原則是使成為有理傳遞函數(shù)。對于階躍輸入信號，可以確定Ⅰ型IMC濾波器的形式對于斜坡輸入信號，可以確定Ⅱ型IMC濾波器的形式為——濾波器時間常數(shù)。

因此，假設(shè)模型沒有誤差，可得第22頁，共35頁。設(shè)時表明：濾波器與閉環(huán)性能有非常直接的關(guān)系。濾波器中的時間常數(shù)是個可調(diào)整的參數(shù)。時間常數(shù)越小，對的跟蹤滯后越小。事實上，濾波器在內(nèi)?？刂浦羞€有另一重要作用，即利用它可以調(diào)整系統(tǒng)的魯棒性。其規(guī)律是，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)魯棒性越好。第23頁，共35頁。討論（1）當(dāng),,時，濾波時間常數(shù)取不同值時，系統(tǒng)的輸出情況。（2）當(dāng),，由于外界干擾使由1變?yōu)?.3，取不同值時，系統(tǒng)的輸出情況。例3－1

過程工業(yè)中的一階加純滯后過程（無模型失配和無外部擾動的情況）。則在單位階躍信號作用下，設(shè)計IMC控制器為

第24頁，共35頁。1～4曲線分別為取0.1、0.5、1.2、2.5時，系統(tǒng)的輸出曲線。

圖6－2過程無擾動圖6－3過程有擾動第25頁，共35頁。例3－2考慮實際過程為內(nèi)部模型為(a)IMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（b）Smith預(yù)估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6－4存在模型誤差時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖比較IMC和Smith預(yù)估控制兩種控制策略。第26頁，共35頁。不存在模型誤差仿真輸出存在模型誤差時IMC仿真存在模型誤差時Smish預(yù)估控制仿真(a)(b)(c)第27頁，共35頁。3內(nèi)模PID控制

(1)PID控制器的基本形式理想形式對于模擬元件實現(xiàn)的工業(yè)PID第28頁，共35頁。圖3－2內(nèi)?？刂频牡刃ё儞Q

圖中虛線方框為等效的一般反饋控制器結(jié)構(gòu)圖中虛線方框為內(nèi)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)

(2)基于內(nèi)模的PID控制器

——用IMC模型獲得PID控制器的設(shè)計方法

第29頁，共35頁。反饋系統(tǒng)控制器為即因為在時，得：可以看到控制器的零頻增益為無窮大。因此可以消除由外界階躍擾動引起的余差。這表明盡管內(nèi)?？刂破鞅旧頉]有積分功能，但由內(nèi)模控制的結(jié)構(gòu)保證了整個內(nèi)?？刂瓶梢韵嗖?。

第30頁，共35頁?？梢詫憺?/p>

當(dāng)模型已知時，將上式和實際的PID算式，對應(yīng)系數(shù)相等，求解即可得基于內(nèi)?？刂圃淼腜ID控制器各參數(shù)。

對上式中含有的滯后項進(jìn)行近似——Pade近似和Taylor近似。第31頁，共35頁。例3－3設(shè)計一階加純滯后過程的IMC－PID控制器。⑴對純滯后時間使用一階Pade近似

⑵分解出可逆和不可逆部分⑶構(gòu)成理想控制器第32頁，共35頁。⑷加一個濾波器這時不需要使為有理，因為PID控制器還沒有得到，容許的分子比分母多項式的階數(shù)高一階。由：第33頁，共35頁。展開分子項