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一种二自由度内模控制方法

1 引 言

在工业过程控制领域，许多被控过程的机理比较复杂，具有高度非线性、慢时变、纯滞后等特点。在噪声、负载扰动和其它一些条件变化的影响下，过程模型参数甚至模型结构均会发生变化，实际过程系统存在一定的不确定性。采用常规的PID控制器，以一组固转印耗材定不变的PID参数去适应被控过程参数变化、干扰等不确定因素，显然难以获得满意的控制效果，当参数变化超过一定范围时，系统的性能会明显变差，甚至超出允许的范围。此外PID调节器参数的整定也是相当棘手的事。在现代控制理论不断发展和微型计算机得到广泛应用的今天，工业过程系统控制算法的进1步扩大其TPE的范围设计不再象PID算法那样受到硬件的限制，一些非PID型的算法如动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制（MAC）、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经络控制等相继出现，以满足对控制系统越来越高的性能要求。80年代初，Garcia和Morari受模型算法控制和动态矩阵控制的启发，提出了内模控制（IMC）方法，由于其设计原理简单，参数整定直观明了，控制性能比较好而引起过程控制界的关注。近年来，在许多研究者的努力下，内模控制原理已被推广应用于多变量系统和非线性系统，使内模控制方法得到进一步发展［1，2］。常规内模控制器只有一个可调参数，是一种一自由度控制器，不具有使系统同时获得良好的目标值跟踪特性和干扰抑制特性的能力，参数整定时一般要在系统的目标值跟踪特性和干扰抑制特性之间进行折中选择，这样做一般能满足大多数控制系统的要求，但对于高性能的控制系统则有一定的局限金旸WE WORK犹如1只精密的手表性，难以兼顾各方面的性能要求而获得满意的控制效果；采用二自由度控制结构［3，4］则可以同时独立地调节目标值跟踪特性、干扰抑制特性和鲁棒性，使公仔各方面的性能均达到最佳。

本文从内模控制原理出发，针对工业控制领域关系，通过两个可调参数的调整，可以使系统同时具有良好的目标值跟踪特性、干扰抑制特性和鲁棒性，克服了常规内模控制的不足，理论分析和仿真实验研究证明了它的有效性。此外，给出的控制算法在现有的可编程控制器（PLC）、智能仪表、集散控制系统（DCS）和新型现场总线控制系统中都能很容易地实现，无需增加硬件投资，因而具有较高的工程应用价值。

2 内模控制器设计

内模控制系统的结构如图2—1所示。 图2—1中，P（s）为实际被控过程对象，M（s）为被控过程的数学模型，即内部模从图1我们可以看出型，Q（s）为内模控制器，U（s）为内模控制器的输出，R（s）、Y（s）、D（s）分别为控制系统的输入、输出和干扰信号。

从图2—1可得到如下关系式：

即系统的输出始终等于输入，不受任何干扰的影响。

但是，对于实际的被控过程系统来说，很难建立其精确的数学模型，模型与实际过程之间总有一定的差别。此外，当M（s）包含纯滞后环节或具有右半S平面的零点时，无法实现式（2—2）、（2—3）所示的理想控制特性。针对实际被控过程的特点，内模控制器的设计一般分两步进行：

第一步：分解对象模型

把模型分解为全通部分M＋（s）和最小相位部分M－（s），即：

M（s）＝M＋（s）×M－（s）（2—4）

式中，M＋（s）包含M（s）中的纯滞后环节和右半S平面的零点，且

显然，内模控制器Q（s）是一种一自由度控制器，只有一个可调参数λ，它与系统的目标值跟踪特性和干扰抑制特性有着直接的关系。一般来说，当按目标值跟踪特性整定λ时，系统的干扰抑制特性差；当按干扰抑制特性整定λ时，系统的目标值跟踪特性差。另外，参数λ还决定着系统的鲁棒性。因此，在整定低通滤波器F（s）的参数λ时，一般要在系统的目标值跟踪特性、干扰抑制特性和鲁棒尽可能下降杂质的含量和含水量性之间进行折中选择，通过反复试凑才能完成，这正是常规内模控制的不足之处。

3 二自由度内模控制

为克服常规内模控制的不足，本文提出一种二自由度内模控制结构，如图3—1所示。图中Q钙氧化物1（s）和Q2（s）构成二自由度内模控制器。Q1（s）主要用来调整系统的目标值跟踪特性，Q2（s）主要用来调整系统的干扰抑制特性和鲁棒性。

根据图3—1可得：沐浴门

为了使系统的目标值跟踪特性和干扰抑制特性能独立调整，将Q1（s）设计为：

显然，