基于内模控制的PID控制系统的研究与应用
根据内模基本知识的PID控制控制控制控制器参数整定仿真实验
基于内模原理的PID控制器参数整定仿真实验1.内模控制内模控制器（IMC）是内部模型控制器（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，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所重视内模控制( Internal Model Control IMC ) 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。
内模控制的结构框图如图1：图1-1 内模控制的结构图其中，IMC G —内模控制器；p G —实际被控过程对象；m G —被控过程的数学模型； d G —扰动通道传递函数。
（1）当0)(,0)(≠=s G s R d 时，假若模型准确，即)()(s G s G m p =，由图可知，)]()(1)[()]()(1)[()(IMC IMC s G s G s G s G s G s G s Y m d d -=-=p ，假若“模型可倒”，即)(1s G m 可以实现，则可令)(1)(IMC s G s G m =，可得0)(=s Y ，不管)(s G d 如何变化，对)(s Y 的影响为零。
基于闭环辨识的鲁棒内模PID优化整定及应用的开题报告
基于闭环辨识的鲁棒内模PID优化整定及应用的开题报告1. 研究的背景和意义PID控制是一种常见的自动控制方法，具有简单易用、可靠性高等优点，在各领域得到广泛应用。
然而，PID控制器的调整需要根据具体应用场景的特点来进行，这使得传统的PID控制往往难以满足复杂系统的高性能控制要求。
因此，如何对PID控制器进行精准调整，以实现系统动态响应性能和鲁棒性能的平衡，一直是控制领域的研究热点之一。
近年来，基于闭环辨识的鲁棒内模PID控制方法成为其中的一个重要研究方向。
该方法通过在控制器内部嵌入一个模型来加强控制器的鲁棒性能，同时利用闭环辨识技术对系统参数进行估计和补偿，使得控制器在动态性能和鲁棒性能上达到一个较好的平衡。
因此，对该方法进行深入研究，实现其在实际控制系统中的应用具有重要的理论意义和工程应用价值。
2. 研究的内容和思路本文将从以下几个方面开展研究：（1）闭环辨识技术的研究：对现有的闭环辨识方法进行综合分析和比较，确定适合本文研究的闭环辨识方法，并进行仿真验证。
（2）内模控制器的设计：在闭环辨识的基础上，设计内模控制器的结构和参数，并进行仿真和实验验证。
（3）鲁棒性能的分析和优化：分析内模控制器的鲁棒性能，并提出相应的优化方法，在平衡动态性能和鲁棒性能的基础上实现内模PID控制器的优化整定。
（4）应用于实际系统的验证：将所设计的内模PID控制器应用于实际系统中，对其控制性能进行实验验证，并与常用的PID控制器进行比较。
3. 研究的预期成果本文将实现基于闭环辨识的鲁棒内模PID控制器在实际控制系统中的应用，达到以下预期成果：（1）提出一种具有较好鲁棒性能和动态响应性能平衡的内模PID控制器设计方法，为实际控制系统的设计提供参考和借鉴。
（2）分析和验证内模PID控制器的鲁棒性能，并推导相应的鲁棒性能分析公式和优化方法，为内模PID控制器的进一步研究提供理论基础。
（3）通过对实际系统的控制实验验证，证明所设计的内模PID控制器在控制性能上具有优异的表现，为其在实际应用中推广应用提供参考。
内模PID控制器在云台伺服系统中的应用
主要用于动态摄像 、 安全监控等需要进行运动图像（ 视 频） 捕捉的环境或场合， 使采集方式更加直接、 方便， 获
取 的信息内容也更加 丰富 ， 在视频 跟踪系统 中得 到 广泛应用。图 １ 为二 自由度云台结构简图。 如 图 １所 示 ， 台 旋 转 平 台机 构 位 于 系 统 底 云 部 ， 以水平 方 向绕 ｚ轴 旋 转 ； 俯 机 构 位 于 水 平 可 仰 旋转 结构 的上 部 ， 以 在 Ｚ 或 Ｚ 可 Ｘ Ｙ平 面 内仰 俯 转
１０ ， １ 。 输入 电压 Ｄ ２ 重 量 ２ １ｋ ． Ｃ ４Ｖ， ． ｇ
云 台的驱 动 方式 一 般采 用 步进 电机 和伺 服 电 机驱 动 。考 虑到 步进 电机 多 用 于开 环控 制 ， 只能采 用位 置控制 方 式 ， 速 能 力 有 限 ， 不 具 备 过 载 能 调 且 力， 因此选 择 了控 制精 度 高 ， 速 能力 好 ， 调 且能 方便 实现 位置 、 度 闭 环 控 制 的直 流 伺 服 电 机 进 行 驱 速 动 。根据 云 台参 数 ， 两个 电机 均 选择 了额 定 电压 为 ２ 输 出功率 为 ４ ５ｗ ， 定 负载转 速为 ４ ／ ｎ ４Ｖ， ． 额 ５ｒｍｉ
第３卷 ３
第２ 期
太
原
科
技
大
学
学
报
Ｖ １ ３ Ｎ ． ｏ ３ ｏ２ ．
Ａ ｒ２ １ ｐ． ０ ２
２１ ０ ２年 ４月
Ｊ Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ａ Ｙ Ａ Ｎ Ｖ Ｒ ＩＹ Ｏ Ｃ Ｅ Ｃ Ｎ Ｅ ＨＮ Ｌ Ｇ Ｏ Ｒ Ａ ＦＴ Ｉ Ｕ Ｎ Ｕ Ｉ Ｅ ＳＴ Ｆ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｄ Ｔ Ｃ Ｏ Ｏ Ｙ
ｌ６ ０
太
原
科
技
内模PID控制器在电阻加热炉温控系统中的应用
当模型匹配时， 即当 GM (s) = G(s) ， 通过调整参数 Tf 即可得到满意的控制效果， 如图 ３ 所示为 Tf 分别取 ０ ． ７ ５ τ 、１ ． ７ ５ τ 、２ ． ７ ５ τ 时的仿真曲线， 可知当取 Tf ＝１．７５ τ 时可以兼顾稳定性和快速性。
将内模 ＰＩＤ 控制与传统的 ＰＩＤ 控制和 Ｓｍｉｔｈ 预估补
采用传统 Ｚ － Ｎ 整定法的 Ｐ Ｉ Ｄ 控制已经是发散振荡的， Ｓｍｉｔｈ 补偿 ＰＩＤ 控制超调量过大，调节时间也较长，而内 模 ＰＩＤ 控制仍能达到满意的控制效果，说明内模 ＰＩＤ 控 制具有很强的鲁棒性。
基于内模的过热汽温串级控制系统PID参数整定
收 稿 日期 ：２０１６—０３—２５
影 响过 热器 出 口蒸汽温度变化的 因素很 多 ，如蒸汽流量 （负荷）、给水温度 、给水流量 、过量空气系数 、烟气温 度、减温
—
８６ 一
水流量 、燃料 量 、燃料种 类 、受热面 污染情况 、火焰 中心 位置
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ （ＩＭＣＰＩＤ）ｆ ｏｒ ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍ ｏｄｅｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｉｍｐｌｅ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｏｎｌｙ ｏｎｅ
ＰＩＤ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍ ｏｄｅｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ＨＵ Ｗ ｅｎ—ｂｉｎ ．ＨＡＮ Ｐｕ ．ＬＩＵ Ｍ ｉａｏ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｙｕｄｅａｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５ １０６３０，Ｃｈｉｎａ；
１ 引 言
ＰＩＤ控制器是工业过 程中最 主要使 用的一种 调节器 ，它 结构 简单 ，易 于操 作 ，且鲁棒 性强 ，实用 效果很好 ，但 对其 参 数 的调节却 没有 那么简单。
文献 ［２］提 出一 种基 于谱 离 散方 法 的 ＰＩＤ参 数整 定方 法 。该方法 不需 要对多 重时 滞对 象进行 模型 约简 即可进 行 整定 ，简单方便 ，整定效 率高 。文献 ［３］提 出了一种 自适 应 遗 传算 法的 ＰＩＤ参 数整定算法 ，通过 自适应 遗传算法 对 ＰＩＤ 参数进 行整定与寻优。文献 ［４］提 出了一种新 的分数 阶微 积 分数字 实现算法一最 优 Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ数字 实现 ，该算 法 在频 率 段 内能更高精度的实现分数 阶微积分 。文献 ［５］针对一 大类 开环稳 定的最小和非最小相位系统 ，给 出了一 种 ＰＩＤ控 制器 参数整定的新方法 。本文讨 论 的基 于内模原 理 的 ＰＩＤ控 制
内模PID控制污水PH的设计与应用
内模 PID控制污水 PH的设计与应用Apply and design on PH control of sewage by IMC PID1.内容摘要面对国内用水紧张以及水污染严重的现状，采取有效措施对污水进行处理已经成为亟待解决的难题。
污水处理涉及到多个复杂控制过程，PH值中和反应是其中非常重要的过程之一，PH值对其它出水指标有着重要影响，它的稳定控制将直接影响污水处理整个过程是否达标。
为此，报告中提出了PH值中和过程的内模PID的控制策略。
由于污水处理现场中和反应过程中，PH值的控制具有强非线性、大滞后性、不确定性以及鲁棒性差的特点，本文针对以往单闭环PID对PH值的控制品质存在不足，提出将内模控制策略应用在污水处理PH值中和过程，设计内模PID控制器来稳定调节PH值。
为了验证所设计控制器的可行性，利用软件仿真与实验，与常规的控制方式从多个方面进行分析对比，内模PID控制能够明显的改善被控对象的目标值跟踪特性，提高抑制干扰能力，系统的动态特性可以很好的满足。
即使发生模型失配，也能实现很好的控制。
并且能够减少参数调整的个数，结构设计上也算简单。
利用软件进行仿真与实验，结果表明，该方法可以更好的改善控制系统的性能。
1.正文1.内模PID算法1.内模控制的原理上世纪八十年代，Garcia和Morari两位学者经过长时间的研究复杂对象的控制过程，全面分析多变量、非线性、时变的对象模型，结合史密斯预估计控制策略，系统的向世人阐述了一种全新的控制方法，这就是内模控制方法。
依据被控对象的数学模型, 经过简单有效的设计步骤，就可以设计出针对实际被控对象的内模控制器，用该控制器对被控对象进行控制，可以提高系统动态变化的跟踪能力，获得良好的控制效果，实用性也特别强，同时对外界的强干扰也有很好的抑制效果。
虽然PID就能解决自动化生产中很多的控制问题，但常规的PID控制很难有效的控制具有非线性、大滞后性、多变量耦合的复杂系统。
内模PID控制器在无刷直流电机调速系统中的应用
关键词 ： Ｉ 控制 ； ＰＤ 内模 控 制 ； — Ｉ 控 制 ； 闭环 直 流 电机 ； 速 系统 Ｉ ＭＣ Ｐ Ｄ 双 调 中 图分 类号 ： Ｐ ７ Ｔ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ７ — ２ ６ ２ １ ）２ ０ ４ — ４ ６ ４ ６ ３ （０ ２ １— ０ ２ ０
ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｒ ｌｔ ｎ ｈ ｐ ｏ ｈ ｎ ｅ ｎ ｌ ｍｏ ｅ ｏ ｔ ｌ ａ ｄ ｔ ｅ ｃａ ｓ Ｉ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄ ｎ ｅａ ｉ ｓ ｉ ｆ ｔ ｅ ｉ ｔｒ ａ ｄ ｌｃ ｎ ｒ ｎ ｈ ｌ ｓ ｉ Ｐ Ｄ，ｃ ｍｂ ｎ ｓ ｔ ｅ ｒ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ，ｄ ｓｇ ｓ ａ Ｐ Ｄ ｏ ｏ ｃ ｏ ｉ ｅ ｈ ｉ ｄ ａ ｔｇ ｓ ｅｉｎ Ｉ
流 电机 进 行 调 速 。在 建 立 对 象理 论 模 型 的基 础 上 ， 过 对 控 制 器 在 线 仿 真 比较 表 明 ： 对 本 设 计 对 象 ， 于 内部 模 型 通 针 基 的 ＰＤ控 制 器 不 论在 系统 阶 跃 响 应 或 是 扰 动 跟 踪 等 控 制 效 果 上 都 能 到 达 经 典 ＰＤ控 制 的 要 求 ， Ｉ Ｉ 同时 还 降低 了 参 数 设
ｔ ｅｃ ｍｐ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｍｎ ｓ ｆ ｅｐ ｒ ｍｅｅ ｓｄ ｓｇ ． ｈ ｏ ｌ ｘｔ ａ ｄ ｒ ｎ ｏ ｅ ｓｏ ａａ ｔｒ ｅ ｉｎ ｙ ｈ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ Ｐ Ｄ ｏ ｔｏ ；ｉ ｔｒ ａ ｄ ｌ ｏ ｔｏ ；ｉｔ ｒ ａ ｄ ｌｃ ｎ ｒｌＰ Ｄ；ｄ ｕ ｌ — ｏ Ｃ ｍｏ ｏ ；ｓ ｅ ｄ ｓ ｓ ｍ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｉ ｃ ｎ ｒ ｌ ｎ ｅ ｎ ｌｍｏ ｅ ｎ ｒ ｌ ｎ ｅ ｌ ｍｏ ｅ ｏ ｔｏ— Ｉ ｃ ｎ ｏ ｂｅｌ ｐ Ｄ ｔｒ ｐ ｅ ｙｔ ｏ ｅ
论文基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究
论文基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究毕业设计报告(论文)基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究所属系化工与制药工程系专业化学工程与工艺学号06110341姓名王大林指导教师陈夕松起讫日期2014.1---2014.5设计地点东南大学四牌楼校区动力楼119东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚信承诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。
如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。
学生签名：日期：基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究摘要内模控制是基于过程数学模型而进行控制器设计的一种新型控制策略。
内模控制具有很多优点，如设计简单，控制性能好，性能分析优越等。
随着工业过程自动化的普及，过程控制越来越受到控制界的广泛关注。
内模控制就是其中之一，它是以控制内部数学模型为基础，通过控制内部模型来达到控制整个系统稳定，进而达到工业过程生产指标的要求。
所以内模控制不仅是一种先进的控制算法，而且是研究预测控制模型的控制策略的重要理论基础！本论文基于东南大学过程控制实验室HGK-1型过程控制实验平台，以该平台中的液位过程为研究对象，设计基于可编程序控制器（PLC）的过程控制系统，采用内模控制（IMC）算法，仿真并实验研究IMC在该过程中的应用效果。
通过本次学习掌握IMC原理及算法，为以后在工作中的工程实际应用打下良好的铺垫！论文在介绍了HGK-1型过程控制实验平台后，阐述了液位过程建模的方法和特点。
在机理建模，试验建模和混合建模中选用试验建模方法建立了被控过程的数学模型。
设计液位过程PLC控制系统，包括液位计、流量计、调节阀、PLC输入/输出模块的接线，以及与PC机间的通讯连接。
仿真比较了IMC-PID控制及IMC的动态与静态性能。
为进一步提高控制系统的动静态性能，设计采用串级IMC控制方案，既提高了系统的动态特性，又保证了系统的稳态精度。
基于内模控制的PID控制器在大时滞过程中的应用研究
基于内模控制的PID 控制器在大时滞过程中的应用研究陶睿，肖术骏，王秀，朱学峰（华南理工大学自动化科学与工程学院，广州，510640）摘要：基于内模控制的PID 控制器，只有一个可调参数，且该参数直接与系统的闭环响应速度和回路的鲁棒性有关，克服了常规PID 控制参数整定复杂的缺点，易于为工程技术人员所掌握。
城市供水出水浊度过程是一个大惯性、大时滞、非线性、时变以及随机干扰多的难控对象。
而把IMC-PID 控制器应用在该对象上，仿真结果表明可以取得较理想的控制效果。
关键字：浊度控制; 大时滞过程; 内模控制; PID 控制; 中图分类号：TP273The Study on PID Controller Based on Internal Model Control in the Applications of LargeTime Delay SystemTAO Rui, XIAO Shujun, WANG Xiu, ZHU Xuefeng(S outh China University of Technology, College of Automation Science and Engineering,Guangzhou, Guangdong, 510640)Abstract: PID controller which based on internal model control can set the system using only one adjustable parameter. And the parameter direct related to the response speed of closed loop and the robustness of loop. It is better to conventional PID controller in noise immunity and complexity.The MIC-PID controller can greatly improve the control results and be easy to control by the engineers and technicians. The turbidity control system of municipal water supply system is a non-linear and time-variant process with a large time constant and large dead time ，which is always difficult to control. When adding the MIC-PID controller to it can obtain a better control effect.Key words: Turbidity control; Large time delay system; Internal model control; PID controller;1 引言 在现代工业过程的控制中，PID 控制算法的到了广泛的应用。
基于内膜控制的先进控制
内模控制器
第二步:模型误差的鲁棒性设计为抑制模型误差对系统的 影响，增加系统的鲁棒性，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:
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Hale Waihona Puke 内模控制器通过求取参考输入R(s)和扰动输入D(s)与过程输出Y(s )之间的传递函数，易得出系统闭环响应为
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16
一阶系统
当过程模型已知时，根据上式和PID控制算式，由s多项 式各项幂次系数对应相等的原则，求解可得基于内模控 制原理的PID控制器各参数。 3.2 一阶系统
可以看出，对于一阶系统，基于内模控制原理设计的控 制器为PI控制器，其中
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一阶系统
在目标函数下的最优控制规律是比例+积分，且是无 余差的，并可以证明对于对象参数的变化是不灵敏的。 而基于内模原理所设计的控制器也是PI控制器，这说明 基于内模控制原理设计的PID控制器是符合二次型最优控 制选型原则的。
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内膜控制
通过求取参考输入R(s)和扰动输入D(s)与过程输出Y(s )之间的传递函数，易得出系统闭环响应为
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内膜控制的PID控制器的设计
如果模型准确，即M ( s) = P( s) ，且没有外界扰动， 即D( s) = 0 ，则模型的输出Y(s)与过程的输出Y相等，此 时反馈信号为零。这样在无模型不确定性和无未知输入 的条件下，内模控制系统具有开环结构。
基于内模控制的
PID控制器的设计
答辩人
专 业:
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1
论文框架
1 研究背景 2 课题方向 3 论文要点 4 结论
基于内模PID控制器的时延网络控制系统的保稳定性设计
Ｓ ａ ｉｉ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｌ ｙ Ｎｅ ｗｏ ｋ ｎｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｉ ｔ ｒ ａ ｏ ｅ ｔ ｂ ｌ ｙ ｓｇ ｆＤｅ ａ ｔ ｒ Ｃｏ ｒ ｌ ｓ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ｎ ｅ ｎ ｌ ｔ Ｓ Ｍ ｄｌ Ｃｏ ｔ ｏ —ＰＩ Ｃｏ ｒ ｌ ｒ ｎ ｒ ｌ － Ｄ ｎｔ ｏ ｌ ｅ
ＺＨＡｏ ｏ Ｃａ， ＡＮＧ ｏ Ｙｉ Ｇｕ － ｉ Ｗｒ Ｈａ －
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｌｃ ｉａ ａ ｄ ｎｒｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｌａ ｎｎ ｅ ｈ ｉａ Ｕ ｉｅｓｙ Ｈｕｕ ａ ２ ５ Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｅｔｃ ｔ ｇｎ ｅｉ ， ｉ ｉｇＴ ｃ ｎｃｌ ｎｖ ｒｉ ， ｌｄ ｏ１５ ， ｈｎ ） Ｅ ｒ ｌ ｎ Ｃｏ ｏ Ｅ ｎ ｏ ｔ １ ０
计 算 机 系 统 应 用
２ １ 年 第 １ 卷 第 ８期 ０ ０ ９
基于 内模 Ｐ 制器 的时延 网络控 制系统 的 Ｉ Ｄ控
保 稳定性设计①
赵 国材
摘
王昊轶 （ 辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院 辽 宁 葫芦岛 １ ５ ５ １ ） ２ ０
要 ： 网络控 制 系统中存在的随机时延会 导致 系统的性能变差甚 至不稳定 。通过对随机 时延 的分析 ，建立 了
ｓ ｌ ｅｐｒ ｂ ｅ ｔｅ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ａ ｅ ｎ Ｉ Ｃ－ Ｄ ｒｎ ｉ ｌ ｓｄ ｓｇ ｅ ｏ ｅｓ ｃ ｎ — ｒ ｅ ｙ ｔ ｍ． ｅ ｏｖｅｔ ｏ ｌｍ，ｈ ｏ ｔｏ ｌｒｂ ｓ ｄ ｏ Ｍ ｈ ＰＩ ｐ ｉ ｃｐ ｅｉ ｅ ｉｎ ｄｆ ｒｔ ｅ ｏ ｄ ｏ ｄ ｒｓ ｓｅ Ｔｈ ｈ
内模PID控制器在电阻加热炉温控系统中的应用
２ １ 内模控 制结构 和基本 性质 ．
收 稿 日期 ： １ 一 １ ２ ２０ ｌ ０ — ５
通过 求取参考 输人 ｓＮ扰动输入 ｓ与过程输 出 ） ）
ｍ业 ｝ 空韦Ｕ 应 用 与
ｎ ｓｒ ｎ ｒ ｎ ｐｉａ ｉ ｓ ｄｕ ｔｙ Ｃｏ ｔｏｌ ｄ Ａｐ ｌ ｔ ａ ｃ ｏｎ
自 化 术与Байду номын сангаас用 ２１年 ０ 第７ 动 技 应 》 ０１ 第３卷 期
内模 Ｐｌ 制器在 电阻加 热炉 温控 系统 中的应用 Ｄ控
常保春 。韩宁青 ．梁 伟平
Ｐ Ｄ， ａ ｙ ｔ ｒ ｓ ｏ ｅ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ ｔ ｃ ｎ ｃ ｌｓａ ． ｅ ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈ Ｍ Ｃ— Ｄ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ Ｉ ｅ ｓ ｏ ｇ ａ ｐ ｆ ｒｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ｎ ｎ ｅ ｈ ｉ ａ ｔ ｆ Ｔｈ ｉ ｌ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｅ Ｉ ｈ ｔ ＰＩ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓｅ ｓ ｈ ｓｇ ｏ ｙ ａ ｉ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｎ ｏ ｕ ｔ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔｖ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｕ ｌ ｙ Ｉ ｓａ ｗｏ ｔ ｙ ｐ ｏ ａ ｏ ｄ ｄ ｎ ｍ ｃ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ａ ｄ ｒ ｂ ｓｎ ｓ ， ｆ ｃ ｉ ｅ ｙ ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｔｏ ａ ｉ ． ｔｉ ｒｈ ｒ ｍｏ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ｑ ｔ ｔ ｔｏ ｎ
基于内模原理的PID控制器参数整定仿真实验
基于内模原理的PID 控制器参数整定仿真实验1. 内模控制内模控制器(IMC)就是内部模型控制器(Internal model controller)的简称,由控制器与滤波器两部分组成,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。
它就是一种实用性很强的控制方法,其主要特点就是结构简单、设计直观简便,在线调节参数少,且调整方针明确,调整容易。
特别就是对于鲁棒及抗扰性的改善与大时滞系统的控制,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内模控制( Internal Model Control IMC ) 就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。
它不仅就是一种实用的先进控制算法, 而且就是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础, 也就是提高常规控制系统设计水平的有力工具。
值得注意的就是,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 结构中特殊之处只就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与改进提供了有力的工具。
内模控制的结构框图如图1:图1-1 内模控制的结构图其中,IMC G —内模控制器;p G —实际被控过程对象;m G —被控过程的数学模型;d G —扰动通道传递函数。
(1)当0)(,0)(≠=s G s R d 时,假若模型准确,即)()(s G s G m p =,由图可知,)]()(1)[()]()(1)[()(IMC IMC s G s G s G s G s G s G s Y m d d -=-=p ,假若“模型可倒”,即)(1s G m 可以实现,则可令)(1)(IMC s G s G m =,可得0)(=s Y ,不管)(s G d 如何变化,对)(s Y 的影响为零。
模糊内模PID控制及应用
、 内模
图1
内模控制原理图
等 。这些方法已经大部分应用到工业生产过程
［7 ］
Schematic of internal model control
中， 并取得了一定的经济效益 。 对于被控对象含有非 线性环节的情况， 有人提出了在线辨识的方法 ， 但目 前的研究大多仍停留在仿真阶段 。针对非线性时滞系 统， 本文采用模糊内模 PID 控制方法进行控制， 并将这 300X DCS 温度系统中 。运行结果证 种方法运用到 JX明了该方法的可行性 。
பைடு நூலகம்
D（ s） = 0 时， Y（ s） = R （ s ） 。 可见， ② 当 R（ s） ≠0 、
^ G
C
（ s） 是 Y（ s） 跟踪 R（ s） 的理想控制器 。
1． 2
江苏省南通市应用科技计划基金资助项目（ 编号： K2008007 ） 。 修改稿收到日期： 2011 － 03 － 22 。 2004 年毕业于南京理工大学自动化系， 第一作者陆平（ 1972 － ） ， 男， 获硕士学位， 讲师； 主要从事智能控制技术的研究 。
时间常数 T f 有关， 因此， 只需调整参数 T f 。
《自动化仪表》 第 33 卷第 3 期 2012 年 3 月
（ 7）
时， 液位高度在 180 ～ 220 mm 之间波动 、 温度在 60 ～ 85 ℃ 之间波动 。如果这些因素的变化范围已知， 就不 需要建立那么多模型， 而是根据实际情况， 将每段的范 围减小， 以提高每段参数的精度 。 当已知液位高度在 180 ～ 220 mm 变化时， 为使建立的模型更加精确， 可将 200 ～ 220 mm。 当然， 其分为以下两段： 180 ～ 200 mm、
基于内模控制原理的PID控制器设计
5、结论
本次演示基于内模控制原理设计了PID控制器，并对其参数设置、性能等进行 了详细分析。通过仿真实验，我们验证了该控制器在工业控制中的应用效果。 结果表明，基于内模控制原理设计的PID控制器具有优异的控制效果、稳定性 和鲁棒性，可为工业控制系统提供更加精确、快速的控制。
未来研究方向可包括进一步优化PID控制器的参数设置方法，研究更加智能的 控制策略，以及拓展PID控制器在其他领域的应用等。结合具体工程应用实例， 对PID控制器进行实践和验证，也是极具意义的研究方向。
参考内容
一、引言
在工业控制系统中，PID（比例-积分-微分）控制器被广泛使用，其对于误差 的及时响应和精确的控制使其在许多领域中表现出色。然而，传统的PID控制 器并不总是能提供最佳的控制效果，尤其是在复杂的、非线性的、时变的系统 中。为了解决这个问题，我们提出了一种基于内模控制的PID控制系统，以提 高控制器的性能和鲁棒性。
（4）仿真验证：利用仿真实验对设计的PID控制器进行验证，以确定其性能和 稳定性。
2、参数设置
Hale Waihona Puke PID控制器的三个主要参数为比例系数、积分时间和微分时间，它们对控制器 的性能有着重要影响。
比例系数用于调节控制器对误差的敏感度，增大比例系数可以使系统更快地响 应误差信号，但过大的比例系数会使系统不稳定。积分时间用于调节控制器对 误差的累积效应，它的作用是消除系统的稳态误差，但过长的积分时间可能导 致系统超调增大。微分时间则用于调节控制器对误差的变化率，它有助于减小 系统的超调量，但过大的微分时间可能导致系统对噪声的敏感度增加。
一、PID控制器原理及应用
PID控制器是一种线性控制器，通过比较设定值与实际输出值之间的误差，利 用比例、积分和微分三个环节对误差进行修正。它的基本原理是：误差信号经 过比例环节后得到比例输出，再经过积分环节得到积分输出，微分环节则给出 微分输出，最后将这三个输出加起来得到最终的控制信号。
基于内模控制的PID_参数整定方法研究及应用
望的闭环响应设计要求指定一个时间常数 τ ｃ ꎬ
程( τ２ > θ) 得到ꎬ使用微分时间是为了抵消较大
可设计闭环响应为一阶时滞加纯滞后模型.
的二阶过程时间常数.
１
æç ｙ ö÷
＝
ｅ － θｓ .
(１１)
è ｙ ｓ ø 期望 τ ｃ ｓ ＋ １
把式(１１) 和式(１) 带入式(１０) 中ꎬ得到
理想情况下 闭 环 时 间 常 数 τ ｃ 可 以 自 由 选
基于内模控制的 ＰＩＤ 参数整定方法研究及应用
王 港ꎬ 李 凌
( 沈阳化工大学 信息工程学院ꎬ 辽宁 沈阳 １１０１４２)
摘 要: 工业生产过程中难以建立精确的数学模型ꎬ其参数往往难以整定. 基于此ꎬ本文研究了
基于内模控制的参数整定方法ꎬ利用减半原则将高阶含有延迟环节的模型降阶为一阶或二阶的模
１ τ１
１
１
ìï
Ｋ ＝
＝
ꎬ
ï ｃ ｋ τ ｃ ＋ θ ｋ′ τ ｃ ＋ θ
(１４)
í
ïτ Ｉ ＝ τ １ ꎬ
ïτ ＝ τ .
î Ｄ
２
为了改善负载干扰响应ꎬ需要减少积分时间ꎬ
( － １ꎬ０) 临界点的最短距离ꎬ因此 Ｍ ｓ 越小ꎬ系统
稳定裕量越大ꎬ即鲁棒性越强. 通过计算输出量
的积分绝对误差( ＩＡＥ) 和输出量的总变分( ＴＶ)
由式(２) 可得逆响应时间常数( 负数分子时
间常数) ꎬ可近似为一个纯滞后过程ꎬ即
续模型ꎬｈ 可不计. 减半原则的主要准则是要保
(５)
式中有效的滞后时间 θ 是初始滞后时间 θ０ 的
总和.
就控制系统而言ꎬ在控制器性能方面ꎬ近似
滞后的效果比同样的大滞后过程效果更差ꎬ特别
基于内模原理的PID控制器参数整定ppt课件
e G(s) 0.7 50s 290s 1
根据上式，分别按IMC法、ZN法、CC法整定PID参数如下： IMC法：取ε=40，相应有KC=4.32s,TI=302.5,TD=11.81s; ZN法：KC=9.94，TI=100s，TD=25s; CC法：KC=11.57,TI=117.2s,TD=17.88s.
简介
内模控制方法是Garcia和Morari于1982年首先正式提出，以其简 单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰等优点，为控 制理论界和工程界所重视。1989年Morari透彻研究了内模控制的鲁 棒性和稳定性，并且由其他学者推广到非线性系统，蓬勃发展中的 神经网络也引入到内模控制中。内模控制还和许多其它控制方式相 结合，如内模控制与模糊控制、内模控制和自适应控制、内模控制 和最优控制、预测控制的结合使内模控制不断得到改进并广泛应用 于工程实践中，取得了良好的效果。
Tps 1
（12）
就以上过程模型做两点说明：（1）对于最小相位系统，只需令 a=0即可；（2）对于像电站粉锅炉主蒸汽温度系统之类的多容高阶大 惯性环节，可以等效为上式，不过a=0，而且这种等效造成的误差可 以达到相当满意的程度。
根据内模控制器设计步骤，对Gm(s)作如（7）、（8）形式分解，
得到：
e Gm (s) (1 as) ps ,Gm (s) Kp Tps 1
知，采用 1 形式的一阶低通滤波器即可。至此可以给出对一大
s 1
类系统的内模PID整定步骤：
（1）对被控对象模型进行低阶等效，得到（12）式的形式； （2）按（13）式进行模型分解； （3）根据（14）式求出（13）式在s=0处的各阶导数值； （4）取r=1，选取滤波器时间常数ε，据（17）式求D(S)在s=0处 的各阶导数值； （5）据（18）式求f(s)在s=0处的各阶导数值； （6）据（15）式求取PID控制器参数； （7）仿真验证或现场观察控制效果，若满意，则结束；若不满 意，则返回（4）重新选择ε。
内模PID控制器在云台伺服系统中的应用
内模PID控制器在云台伺服系统中的应用邢邦丽;赵志诚;曾建潮【摘要】For the PTZ（Pan Tilt Zoom）servo system,the model of SG-5452460005-15 W permanent magnet DC gear motor is used to driveYP3091 PTZ camera,the mathematical model of the system is established,and a new PID controller based on internal model principle is designed.The design of the proposed controller is simple and the controller has only one adjustable parameter.The results show that the root mean square tracking errors of azimuth and elevation are respectively 0.15-mrad and 0.32-mrad in the IMC-PID control pared with the traditional PID controller,the parameter regulation of the IMC-PID controller is more convenient,and the system has fast response,high precision,anti-interference ability and better robustness.%针对SG-5452460005-15W型永磁式直流减速电动机驱动的YP3091型摄像机云台伺服系统,建立了数学模型,并基于内模控制原理设计了一种新型PID控制器。
基于内模控制的PID参数整定在车牌半成品生产线反光膜张力控制中的应用
研究与开发年第5期基于内模控制的PID 参数整定在车牌半成品生产线反光膜张力控制中的应用王玲1黄凤华2（1.广东建设职业技术学院机电工程系，广州510450；2.广州南沙龙沙有限公司，广州511455）摘要本文从车牌半成品的生产工艺流程入手，以车牌半成品生产线贴膜部分的张力控制系统为原型，在此基础上进行了放卷张力的数学建模,设计一种基于內模控制的PID 参数整定薄膜恒张力控制系统,并进行了仿真,具有收敛、无稳态误差以及动态性能好的特点。
关键词：车牌半成品；内模控制；参数整定；张力控制Based on Internal Model Control-PID Regulating Parameters Apply in R eflective Membrane Tension Control System of theSemi-finished License Plate Production LineW ang Ling 1Huang F enghua 2（1.Mechanical and Electronic Engineering Department,Guangdong Construction V ocational Technology Institute,Guangzhou 510450；2.Automation Institute,Lonza Guangzhou Nansha Ltd,Guangzhou 511455）Abstr act The thesis starts with production technological process of Semi-finished License Plate ，and patch part of the tension control system for the prototype ，designing a internal model control-based PID Regulating Parameters system apply in constant tension control.We also carry on the simulation to the corresponding control models.The simulation is of convergence,no steady-state error and good dynamic performance characteristics.Key words ：plate semi-finished products ；internal model control ；parameter regulating ；tension control1引言内模控制[1-2]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。
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因此应用IMC.PID软件包实施先进控制,首先就是要在保证生产平稳运行的情况
图5.6辨识的对象模型参数及整定后的控制器PID参数
Fj昏S-61demified mOdel par锄ners and retIlning HD p啦meters
在有条件的情况下,实施IMC.PID控制;为了应用IMC.PID鲁棒控制器,需要对现场的Dcs控制回路重新组态。将原来的PID算法修改为PI算法,再串一个超前滞后环节。由第二章内模控制器的求取方法可知,IMC回路只需求解一个滤波器常数就可满足回路的设定值响应特性,同时又能保证系统的鲁棒性。以0—1的阶跃信号为输入并以ITAE为准则,使用NIJ算法进行滤波器常数的辨识。
.参考文献
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16.孙德敏.吴刚.薛美盛.王永.李俊工业过程先进控制及优化软件产业[期刊论文]-自动化博览 2003(2)
在实施对某石化厂的丙烯腈装置进行先进控制改造时发现,由于两次扩能改造,使得一些仪表已经打到满量程,部分控制回路发散,控制不住,波动比较大,以至于大部分回路处于手动状态,失去了“自动控制”的意义。并且,由于手动操作对操作工操作经验的要求很高,操作工在遇到大的扰动时,不敢做太大的调整,使得很多位号在遇到干扰时不能很快恢复到位,有的位号很可能就一直振荡下去,造成了生产的不稳定。这也在某种程度上增加了误操作率。
5.2小结
由于IMc的设计简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强,能消除不可测干扰的影响,孙鑫”“、郑思让㈣在造纸过程中应用IMc表明:IMC用于造纸生产具有算法结构简单、易于工程实现、自适应能力强、实时眭好等特点。袁树清删等应用玎讧c到机构
基于内模控制的PID控制系统的研究与应用
作者:黄静
北京化_:::I:大学硕士学位论文
图5—7滤波器常数及IMc-PlD控制器参数的整定曲线
Fi晷s_7Finer p棚eters and retuning curve oflM(>PID connDller
从实际应用结果对比可知,基于阶跃响应的PID控制回路经参数优化后,控制回路的性能指标和鲁棒性得到明显提高。该方法鳃决了PID参数只能凭经验进行调节,而一般人员很难进行精细调节的难题。并且该方法的数据获取容易,因为在正常生产中控制回路的设定值改变是时有发生的,而设定值变化前后的数据就是本方法所需数据,故本方法不需要为PID参数做特定的闭环对象特性测试实验;其次方法操作简单, Dcs操作员经简单培训就可进行,没有特殊的维护工作量,且优化后系统的鲁棒性很好。
Fig.5—2FlOw chan ofT-104recycle tower
5.1.4应用IMc.PID软件包实施先进控制
对于一个化工装置而言,实现操作优化和先进控制,使装置在最优操作条件下平稳运行,可以从提高产品质量、增加产品产量、降低原料消耗、节约能源、延长催化剂使用寿命、减少环境污染等多方面取得经济效益。
21.王文新常压蒸馏装置的在线优化控制[学位论文]硕士 1998
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20.Hannh T.Toivonen Kati.V Sandstr(O)m Rasmus.H.Nystr(O)m Internal model control of nonlinear systems described by velocity-based linearizations[外文期刊] 2003(13)
北京化工大学
硕士学位论文
基于内模控制的PID控制系统的研究与应用
姓名:黄静
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:潘立登
20060601
北京化工大学硕士学位论文
图5—2T—104回收塔流程图
42.Xie W F.Rad A B.Wang Y K Evaluation of A Hybrid Fuzzy Internal Model Control 1997(03)
43.杨智.贾立基于神经网络的时滞系统自适应内模控制[期刊论文]-模式识别与人工智能 2000(3)
5.Garcia C E.Morari M Internal Model Control.2.Design Procedure for Multivariable Systems 1985
6.Garcia C E.Morari M Internal Model Control.3.Multivariable Control Law Computaiton and Tuing Guidlines 1985
5.1.6其它丙烯赌装置上的先进控制改造
薛美盛等人”21在丙烯腈装置上利用优化软件改变操作条件,也就是改变控制回路的设定值,成功实现了流化床反应器操作条件的正交优化,在此基础上,又在多元逐步回归分析法的基础上实现了丙烯腈反应器的在线优化控制。
李永刚等人㈣将主元分析处理后的数据作为新的样本输入,利用模糊C均值聚类算法进行丙烯腈反应器的优化操作。
7.Rivera D E.Morari M.Skogestad S Internal model control,Part4,PID controler design 1986(01)
8.Morari M.Skogestad S.Rivera D E Implications of Internal Model Control for PID Controllers 1984
34.陈悦.安燮南.高东杰一种统一预测控制及其内模结构分析 1997
35.吴玮琦.席裕庚.耿晓军广义预测控制的鲁棒化改进[期刊论文]-控制与决策 1999(6)
36.马俊英.罗元浩.潘立登用改进的NLJ方法辨识闭环系统的模型参数及滤波器设计[期刊论文]-北京化工大学学报(自然科学版) 2003(4)
优化和先进控制已经发展得比较成熟,但国内外绝大多数丙烯腈装置都还没有实施优化和先进控制。另外,国内丙烯腈装置基本上都已经使用了分散控制系统,这给优化与先进控制的实施提供了强有力的技术保障。
PID控制回路正常工作是保证生产装置安全、平稳、长周期、满负荷运行的基础,同时也是采用先进过程控制、操作优化、质量管理、节能策略的基础。
11AE,即时间乘绝对误差的积分,按ITAE准则设计的最优系统是使积分具有最小值的系统,由于IrIAE具有较好的选择性,在P1D参数整定时,选择ITAE。
通过实际应用中发现,虽然Dcs控制回路的PID控制器经过IMc改造成为lMc.PID 控制器,但新控制器传递函数的阶次与IMC控制器的阶次一般不相等,即使出现阶次相等,使用对应系数相等的方法进行PID控制器求解时,也会出现无解或多重解的情况。研究前人的求解过程,发现一些文献直接舍去了IMc控制器的高次项而变成与PID 控制器相同的阶次,但这样做的结果就可能影响到PID回路的设定值响应特性或降低系统的鲁棒性,并且PID控制器的推导求解过程同PID控制回路的闭环传递函数的推导过程一样繁琐且容易出错。