内模控制

1内模控制器设计摘要：将内模控制器和传统的Smith控制器进行比较对照，总体论述内模控制器的主要优缺点及其发展前景，然后分别通过预测控制法以及将Taylor级数展开，根据内模控制结构原理来设计控制器，并利用Matlab语言编程软件对其进行仿真研究。通过各种仿真结果表明，内模控制与传统的PID反馈控制在工程应用中比较，其动态性能更好，稳定性更强，鲁棒性更突出。通过论证可以得出内模控制设计简单方便，具有一定的实用性及广阔的发展环境。关键词：内模控制，Smith预估器，前馈控制器，反馈滤波器，鲁棒性，Taylor级数，系统仿真，Matlab软件ABSTRACT:ComparedtheIMCandtheSmithcontrollerinthisarticle.ItdescribestheimportantcharacteranddevelopingconditionoftheIMC,andthenintroducethedesignofthecontrolleraccordingtotheinternalmodelcontrolmechanismusepredictorcontrolandaftertospreadoutthedelaysegmentonfirst-orderTaylorseriessimulatesusingMatlab.TheresultindicatesthatthedynamicfunctionofinternalmodelcontrolisexcellentcompareditwithPIDfeedbackcontrol.ThedesignofIMCisverysimpleandpractically.KEYWORDS:Internalmodelcontrol,Smithpredictor,Feed-forwardcontroller,Feedbackfilter.Robustness,Taylorseries,Systemsimulation,Matlabsoftware.目录2第一章引言.................................................................................................................31.1产生背景及研究意义...........................................................................................31.2、发展现状............................................................................................................31.3、本文所做工作....................................................................................................3第二章基本概念.............................................................................................................42.1、鲁棒性与鲁棒控制..........................................................................................42.2、PID控制简介....................................................................................................52.3、Smith预估器.....................................................................................................6第三章内模控制器控制原理.......................................................................................73.1、内模控制器（IMC）与Smith预估器.............................................................73.2、前馈控制器Q的设计.......................................................................................93.3、反馈滤波器F...................................................................................................10第四章控制器设计...............................................................................................134.1、基于预测控制法的内模控制器设计..............................................................134.2、Taylor级数展开的内模控制器的设计...........................................................16第五章仿真研究...................................................................................................195.1、MATLAB及其Simulink仿真研究................................................................195.2、基于预测控制法的内模控制器设计的仿真研究..........................................205.3、Taylor级数展开的内模控制器的设计的仿真研究.......................................23第六章结论及展望...............................................................................................256.1基于预测控制法设计的内模控制器设计结论..............................................256.2Taylor级数展开的内模控制器的设计结论...................................................25结束语...............................................................................................................................26附录...................................................................................................................................27参考文献...........................................................................................................................28致谢...................................................................................................错误！未定义书签。3第一章引言1.1产生背景及研究意义内模控制(IMC)是80年代初提出的，由Garcia和Morari引进，其产生的背景主要有两个方面，一是为了对当时提出的两种预测控制算法MAC和DMC进行系统分析；其次是作为Smith预估器的一种扩展，使设计更为简便，鲁棒及抗扰性大为改善。内模控制器（IMC）是内部模型控制器（Internalmodelcontroller）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，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所重视。1.2、发展现状经过十多年的发展，IMC方法不仅已扩展到了多变量和非线性系统，还产生了多种设计方法，较典型的有零极点对消法、预测控制法、针对PID控制器设计的IMC法、有限拍法等。IMC与其他控制方法的结合也是很容易的，如自适应IMC，采用模糊决策、仿人控制、神经网络的智能型IMC等.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。1.3、本文所做工作本文主要通过对比Smith预估器与内模控制器（IMC）来论述内膜控制器制器（IMC）的工作原理，分别通过预测控制法以及Taylor级数展开来设计内膜控制器，并利用MATLAN仿真软件进行实例仿真研究，来说明内模控制器在工程应用中的主要特点及其广阔的发展前景。4第二章基本概念2.1、鲁棒性与鲁棒控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。鲁棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世纪50年代。在过去的20年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，也就是鲁棒控制，成为国内外科研人员的研究课题。鲁棒控制的早期研究，主要针对单变量系统（SISO）的在微小摄动下的不确定性，具有代表性的是Zames提出的微分灵敏度分析。然而，实际工业过程中故障导致系统中参数的变化，这种变化是有界摄动而不是无穷小摄动。因此产生了以讨论参数在有界摄动下系统性能保持和控制为内容的现代鲁棒控制。现代鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器