【正文】 () 由第二章得出的模型： 11169150)( ?? ssG p ， K=150， T=1169 可得： 11 1 6 91 5 0)()( ???? ssGsG mm 由 ： fssGc 1 5 0 11 1 6 9)( ?? 這里 f 是穩(wěn)態(tài)增益為 1的低通濾波器 [17]。此外， )(sGm 有時(shí)也不完全可倒，比如， )(sGm中若包含純滯后環(huán)節(jié)，其倒數(shù)為純超前環(huán)節(jié)，這顯然 是物理不可實(shí)現(xiàn)的 [14]。 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì) 內(nèi)模控制器是在 “模型沒有誤差，而且可逆 ”這個(gè)假設(shè)條件下的理想反饋控制器。 +++)( sG p++++)( sG p )( sG m )( sc)( s )( sY( sU+)( sR )( sY)( sC)(D )(D (a) 內(nèi)?？刂谱儞Q (b) IMCPID 形式 圖 31 內(nèi)?？刂频牡刃Х娇驁D 由圖 32(a)的變換可得： )()(1 )()( sGsG sGsC mc c?? () 內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)思路清晰，步驟簡(jiǎn)單，在控制理論界和工程應(yīng)用領(lǐng)域都得到了普遍重視。與經(jīng)典 PID 控制相比 , IMCPID控制僅有一個(gè)整定參數(shù) ,參數(shù)調(diào)整與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和魯棒性的關(guān)系比較明確 , 并且與其他控制方法的結(jié)合也很容易 [9]。 同樣，若 0)( ?sR , 0)( ?sD ， 且假設(shè)模型正確，將式 ()帶入式 ()，此時(shí)： 0)()]()(11[)()]()(1[)( ????? sDsGsGsDsGsGsY mmpc () 可 見，只要模型不存在建模誤差該假設(shè)條件成立，不管干擾 )(sD 如何，內(nèi)?？刂凭煽朔饨鐢_動(dòng) [15]。因此，當(dāng)不存在模型誤差和未知干擾的條件下，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。 內(nèi)?？刂破髟? 內(nèi)模控制（ IMC)從字面意思就可以知道它的含義：通過 控制被控對(duì)象的內(nèi)部模型來(lái)控制整個(gè)操作過程！內(nèi)模控制的典型框圖如圖 31所示， ++++)( sG p )( sGm)(sG c)(sR )(sD )(sY)(sU )(~ sY)(~ sD 31 內(nèi)?？刂瓶驁D 由圖 31 可得內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)傳遞函數(shù)為： ?? )()()()(1 )()()( c sRsGsGsG sGsGsY cpc p ??? + ?? )()()()(1 )()(1c c sDsGsGsG sGsG mp m?? ? （ ） 在模型沒有誤差，即 )(sGm = )(sGP 時(shí)，式子（ ）可化簡(jiǎn)為： )()]()(1[)()()()( sDsGsGsRsGsGsY pcpc ??? （ ） 若 0)( ?sD ， 0)( ?sR ，由式 ()可得： )()()()( sRsGsGsY pc? () 假 設(shè) “模型可逆 ”，即)(1sGm可以實(shí)現(xiàn)，可令： 1() ()cmGs Gs? () 將式 ()帶入式 ()，可得 )()()()(1)( sRsRsGsGsY pm ?? () 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 12 式 ()表明內(nèi)?？刂破骺纱_保輸出跟隨設(shè)定值的變化。 最終選取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 11000150)( ?? ssGp （ 5） 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 11 第三章 內(nèi)?？刂圃砑胺抡嫜芯? 在第二章中，已通過試驗(yàn)建模法建立了液位 流量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參量模型一般采用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示，如描述控制對(duì)象的傳遞函數(shù)及輸入輸出關(guān)系的方程式等。 在多次試驗(yàn)后，取得多組數(shù)據(jù)，建模。 圖 25 實(shí)際液位曲線圖 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 10 圖 26 實(shí)際流量曲線圖 圖 27 擬合 曲線 由上擬合曲線在 Matlable軟件上可以得出數(shù)學(xué)模型為 : Y= 1169X?? （ 1） 由（ 1）式可得： 放大系數(shù)（增益） K=150 mm min /L （ 2） 時(shí)間常數(shù) T=1169s （ 3） 由（ 2）（ 3）可得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為 11169150)( ?? ssGp （ 4） 將所得模型在 Simulink中仿真后，和實(shí)際數(shù)據(jù)以及擬合曲線相比較。記下此時(shí)液位 ，流量 （ 4）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，上位機(jī)以 5s歸檔周期歸檔記錄數(shù)據(jù) （ 5）在 MATLAB中處理所得數(shù)據(jù)，由于實(shí)際液位數(shù)據(jù)存在抖動(dòng)，先經(jīng)過擬合后，然后在擬合曲線上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求取。此時(shí)流量上升。實(shí)際情況是液位在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)緩慢變化上升。等待液位穩(wěn)定。然后在 MATLAB中處理這些數(shù)據(jù)，提高建模準(zhǔn)確性。同時(shí)在上位機(jī)上定量記錄液位的實(shí)際值大小和對(duì)應(yīng)流量大小。出水閥門選擇一個(gè)，全開狀態(tài)。 液位建模步驟 本次試驗(yàn)選取變頻器衡定頻率工 作，用來(lái)給整個(gè)系統(tǒng)提供水量。 液位試驗(yàn)建模 （ 1） 對(duì)于 HGK1型液位控制系統(tǒng)而言，由于管道距離很短，閥門的微小動(dòng)作都會(huì)立刻?hào)|南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 9 造成水箱液位的變化，所以認(rèn)為對(duì)于該流量 液位模型是無(wú)滯后環(huán)節(jié)的，忽略滯后時(shí)間。在一次實(shí)驗(yàn)后，必須使被控過程穩(wěn)定一 段時(shí)間再施加測(cè)試信號(hào)做第二次實(shí)驗(yàn)。 3）實(shí)驗(yàn)應(yīng)在階躍信號(hào)做正方向和反方向的變化，同時(shí)分別測(cè)出兩個(gè)方向的階躍響應(yīng)曲線，以檢驗(yàn)被控過程的非線性程度。通常取階躍信號(hào)值為正常輸入信號(hào)的 10%～ 15%，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)。該方法是在被控對(duì)象上人為地加入階躍干擾后，通過測(cè)定被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性曲線，然后在matlable 軟件上擬合得到 TxKYY ??? ?0 ，進(jìn)而得到被控對(duì)象的抽象傳遞函數(shù)() 1p KGs Ts? ?。 由于該實(shí)驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，不易使用機(jī)理建模法求取過程的數(shù)學(xué)模型，故采用試驗(yàn)法建模。 （ 3）混合建模 ──將機(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模結(jié)合起來(lái)，稱為混合建模。 這種應(yīng)用對(duì)象輸入輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)決定其模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的方法，通常稱為系統(tǒng)辨識(shí)。試驗(yàn)建模就是針對(duì)所要研究的對(duì)象，人為地施加一個(gè)輸入作用，然后用儀表記錄表征對(duì)象特性的物理量隨著時(shí)間變化的規(guī)律，得到一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線。 過程數(shù)學(xué)模型的 求取方法 一般來(lái)說(shuō)，過程數(shù)學(xué)模型的求取方法如 [3]： (1)機(jī)理建模 ──機(jī)理建模是根據(jù)對(duì)象或生產(chǎn)過程的內(nèi)部機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 8 程，如物料平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程等，從而得到對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。還可為操作人員提供仿真操作的平臺(tái)，從而為高速、安全、低成本地培訓(xùn)工程技術(shù)人員和操作員提供借鑒，并有可能制定大型設(shè)備的啟動(dòng)和停車操作方案。例如，預(yù)測(cè)控制、推理控制、前饋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制等都是在已知對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行的。 3）制訂工業(yè)過程的優(yōu)化控制方案 ──優(yōu)化控制往往可以在基本不增加投資與設(shè)備的情況下，獲取可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 2）調(diào)試控制系統(tǒng)和參數(shù)修定 ──對(duì)被控對(duì)象特性的熟悉程度是調(diào)試和模擬仿真的保證。 建立過程數(shù)學(xué)模型的目的 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的主要目的可以歸納為如下幾點(diǎn) [10]： 1）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) ──深刻了解大時(shí)滯特性是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的前提。對(duì)象數(shù)學(xué)模型與真實(shí)控制對(duì) 象比較符合就能得到穩(wěn)定的階躍曲線，為了能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，需要分別對(duì)控制系統(tǒng)和擾動(dòng)通道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而得到更完美的控制效果。儲(chǔ)水罐中的水通過水泵打入到塑膠透明水箱中，在水箱中的水量對(duì)底部有一定的壓力，通過液位傳感器所測(cè)出的液位信號(hào)，送入 PLC中，通過 PLC中的所編好的程序，輸出控制信號(hào)進(jìn)電動(dòng)閥控制端，控制電動(dòng)閥的調(diào)節(jié)來(lái)保持恒定的液位。 圖 24 HGK1型液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1： 測(cè)管道壓力的傳感器 2： 流量計(jì) 3： 電動(dòng)閥 調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)所使用的能源 不同可分為 3種：以壓縮空氣為能源的為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；以電為能源的為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；以高壓液體為能源的為液動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 (2)變頻器，用來(lái)調(diào)節(jié)小流量泵的出水流量。它的輸出信號(hào)為頻率，通過流量積算變送儀轉(zhuǎn)換為 420mA的電流信號(hào)輸出。輸出與被測(cè)液體的東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 6 液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的 420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出與管道液體的壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。 控制臺(tái)如圖 22 所示 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 5 圖 22 HGK1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 控制臺(tái) 已組裝 PLC 及電源如圖 23： 圖 23 工作中的 PLC 從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含有：塑膠透明水箱、電動(dòng)閥、儲(chǔ)水罐、變頻器、 LED面板、泵、三相電加熱裝置等等。重點(diǎn)討論采用試驗(yàn)建模法建立液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 第五章 對(duì)研究工作進(jìn)行總結(jié)和展望，提出了進(jìn)一步的研究方向。 第三章 仿真比較 PID控制及 IMC在液位過程控制中的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，分析內(nèi)模控制設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性。 本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章 介紹了有關(guān)內(nèi)模控制的研究背景 ,內(nèi)?？刂频目刂频陌l(fā)展現(xiàn)狀和前景以及本文的研究目 的。 在設(shè)計(jì)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)都有一定的難度，其中所遇到的問題也是層出不窮， 最大的收獲是在解決問題的過程中所獲得的經(jīng)驗(yàn)和使用的方法都會(huì)對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作提供相當(dāng)大的幫助。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要目的在于掌握 IMC的工程應(yīng)用技術(shù)。在工業(yè)過程控制中，采用內(nèi)?？刂瓶梢蕴岣?PID 控制器的設(shè)計(jì)水平。 本文的研究目的 內(nèi)?？刂剖且环N根據(jù)過程的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)便，在線調(diào)節(jié)參數(shù)少，且調(diào)整方針明確，調(diào)整容易，對(duì)系統(tǒng)魯棒性和抗擾性的改善有較好的效果 [6]。到目前為止內(nèi)?？刂频幕驹砗蜆?gòu)造框架已得到充分的研究和應(yīng)用，現(xiàn)在的內(nèi)?？刂婆c其他的控制方法結(jié)合在一起，功能相互包含、相互滲透、相互依存，從而達(dá)到了最完美的控制效果，也使得內(nèi)模控制的優(yōu)勢(shì)得到了最充分的發(fā)揮。內(nèi)?？刂瞥Ｓ玫脑O(shè)計(jì)方法有兩 步法 [3]、零極點(diǎn)對(duì)消法、預(yù)測(cè)控制法、有限拍法 [4]、?HH2 優(yōu)化法、 IMCPID法 [5]等。這二人對(duì)內(nèi)模控制的性質(zhì)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究，分析了內(nèi)模控制的穩(wěn)定性和魯棒性兩大性質(zhì)。 1974年，德國(guó)學(xué)者 frank首先提出內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)， 1979 年Brosilow在推斷控制基礎(chǔ)上，證明了內(nèi)模控制是推斷和預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的核心，并提出幾種設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器的方法。在過程工業(yè)控制中，普遍使用的調(diào)節(jié)器類型是 PID型。當(dāng)今的內(nèi)?？刂埔言诳刂平缯加袩o(wú)可取代的一席之地。內(nèi)模控制是分析和設(shè)計(jì)其他控制系統(tǒng)的有力助手，尤其是對(duì)于預(yù)測(cè)控制和PID 控制發(fā)揮著優(yōu)越的應(yīng)用。內(nèi)?？刂频木C合性能需在控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能之間折中。在其他的一些領(lǐng)域如非線性過 程的控制，大時(shí)滯過程的控制和魯棒性調(diào)節(jié)器的研究與控制都得到充分的發(fā)揮。 內(nèi)?？刂谱鳛橐环N新型的控制方法，隨后又被推廣到 MIMO 系統(tǒng)。其控制過程在其它一些干擾條件的影響下，控制過程的模型參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化，因此采用常規(guī) PID控制器，以一組固定不變的 PID 參數(shù)去適應(yīng)被控過程參數(shù)變化、干擾等不確定因素顯然難以獲得滿意的效果 [2]。 隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求越來(lái)越高，控制界對(duì)控制系統(tǒng)的研究也日益完善。 PLC control III 目 錄 摘要 ...........................................................................................................