基于内模控制的PID参数整定方法研究及应用.pdf
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1、第卷 第期沈 阳 化 工 大 学 学 报.收稿日期:作者简介:王港()男辽宁盘锦人硕士研究生在读主要从事工业过程控制方法的研究.通信联系人:李凌()女山东梁山人副教授博士主要从事复杂系统建模、优化及先进控制方法的研究.文章编号:()基于内模控制的 参数整定方法研究及应用王 港 李 凌(沈阳化工大学 信息工程学院 辽宁 沈阳)摘 要:工业生产过程中难以建立精确的数学模型其参数往往难以整定.基于此本文研究了基于内模控制的参数整定方法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型依据内模比例 积分 微分参数整定过程推导出 法的整定公式进行 参数整定.经仿真分析发现该方法的单位阶跃响应速度
2、快、无振荡、超调量小且其控制效果明显优于其他经典 整定方法.应用此方法对精馏塔温度控制系统进行 参数整定由于精馏塔系统本身存在很强的耦合作用故设计基于内模控制思想的内模解耦控制器.通过仿真结果发现无论在模型匹配还是失配的情况下都不仅能消除回路之间的耦合作用还能减小超调.所研究的内模解耦控制是一种先进、有效的解耦方案.关键词:控制 精馏塔 内模解耦:./.中图分类号:文献标识码:在广泛的工业实践领域内比例 积分 微分()控制由于其自身结构简单、鲁棒性强、便于操作等优点而成为应用最广泛的控制方法.但工业过程的模型绝大部分具有非线性或时变不确定性难以建立精确的数学模型而系统的参数又经常发生变化利用经
3、典与现代控制理论进行辨识模型时非常繁琐且难度极大也得不到满意的控制效果因此对 参数整定具有重要的意义.早在 世纪 年代 和 提出了 参数整定的经验整定公式()随后越来越多的整定方法接踵而至.法是使比例控制产生一个持续的振荡并从中获得临界增益与临界周期然后再进行参数整定.这是一种简单有效的参数整定方法但其超调量大对于一些具有大时滞的过程控制效果不是很理想.等从内模控制()思想得出了 控制器参数整定方法.与经典 控制相比内模控制仅具有一个整定参数该参数直接关联闭环系统的调节时间和鲁棒性能使控制系统具有较好的控制性能且设计思路清晰、步骤简单.但 对于时间延迟常数较大的滞后过程(包括积分过程)负载扰动
4、响应的控制效果欠佳.许多学者在传统基于内模控制的比例 积分 微分控制()的基础上提出了改进的 控制器参数整定方法如 提出的 整 定 方 法()等.法首先通过减半规则对复杂模型进行降阶然后通过降低积分时间参数增加积分控制对大延迟被控系统的作用强度来提高对负载扰动的抑制作用很好地弥补了其他方法的不足.本文主要通过内模 方法推导得到的 法进行 的参数整定主要包括模型近似与高阶模型降阶并根据不同的过程给出经验公式通过仿真结果选出最优的参数整定方案 第 期王 港等:基于内模控制的 参数整定方法研究及应用 并在精馏塔温度控制系统下进行参数整定和内模解耦通过仿真结果得出结论.法 模型近似与降阶 法由两步组成
5、:()把被控对象的模型降阶到一阶时滞加纯滞后模型()或二阶时滞加纯滞后模型()()按公式计算 的 个参数.首先从初始模型()得到一个如下形式的一阶或二阶时滞近似模型().()()().()其中:为对象的增益为主时间常数 为等效的纯滞后时间为次时间常数(表示逆响应(负分子)时间常数.根据减半原则对于一阶模型/有:.()对于二阶模型 /()()有:.()其中:对于离散模型 是采样时间常数对于连续模型 可不计.减半原则的主要准则是要保持 或 整定规则的鲁棒性.当初始模型()中有正的分子时间常数时分子多项式中出现了超前项其一般形式为()()()().为了抵消与分母表达式 相近的分子表达式 用下列近似规
6、则近似(其中 和 都是正实数):规则:当 时()()规则:当 时()()规则:当 时()()规则:当 时()().整定规则的推导接下来对设定值用直接综合方法或者内模控制法推导式()中的模型.给定闭环设定值的响应是 沈 阳 化 工 大 学 学 报 年()()()().()直接综合法给出了期望的闭环响应根据闭环设定值的响应式()可以导出控制器()为()()(/)期望.()对于二阶时滞加纯滞后模型()根据期望的闭环响应设计要求指定一个时间常数 可设计闭环响应为一阶时滞加纯滞后模型.期望 .()把式()和式()带入式()中得到()()()().()式中 是期望的闭环时间常数是控制器唯一的参数整定值.把
7、纯滞后的一阶泰勒近似 带入式()中可得()()()().()与式()中的串联型 算法比较得到 控制器需要整定的三个参数为:.()为了改善负载干扰响应需要减少积分时间但是不能太小否则双积分过程结果会产生缓慢的振荡因此给出了另一种公式计算积分时间.().()因此 整定规则归纳为:().()其中期望闭环响应时间 是唯一需要整定的参数.由一阶模型()设计 控制器而带有微分环节的 控制器主要由主导二阶动态过程()得到使用微分时间是为了抵消较大的二阶过程时间常数.理想情况下闭环时间常数 可以自由选择.的最优值通过权衡下列性能来决定:()快的响应速度和良好的抗干扰能力(通常选择小的 值)()稳定性、鲁棒性和
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