纯滞后环节高阶系统的内模控制及仿真

纯滞后环节高阶系统的内模控制及仿真

摘要：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（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。

关键词：内模控制；IMC；鲁棒

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.内模控制基本结构及其性质

内模控制不仅在工业过程控制中获得了成功的应用，而且表现出在控制系统稳定性和鲁

棒性理论分析方面的优势。在工业过程中，内模控制用于强耦合多变量过程、强非线性过程

和大时滞过程。

内模控制基本结构如图1.1所示。

内模控制方法的关键是获取对象的模型逆，而相当一部分非线性系统的求逆问题可

以通过微分几何方法中的动态逆的理论来解决，从而将内模控制与输入输出反馈线性化方法

联系起来，而内模控制所具有的鲁棒性正好能够弥补微分几何方法的不足。

2.1 内模控制结构

图2.3 内模控制系统仿真结构图

2.4 仿真波形及结果分析

设置系统在阶跃信号，取一滤波器。

当取值0.1，0.2，0.3时系统输出波形分别如下图的三个波形所示：

图2.4 分别取值0.1，0.3，0.5时单变量内模控制系统仿真结果图

结论

由图2.4的仿真曲线可得出结论，改变内模控制器中滤波器的时间常数，对系统的响应

速度有较大的影响。对系统稳定性不产生影响，而且系统没有超调，估该内模控制系统可确保系统的稳定性。