第七讲 内模控制—IMC (Internal Model Control).ppt

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“先进控制技术”第七讲—IMC 内模控制—IMC (Internal Model Control) 浙江大学控制系 王 慧 本讲内容要点 内模控制的基本思想 内模控制的基本结构 内模控制基本原理 内模控制的性质 内模控制器的设计 内模控制与预测控制 内模控制的基本思想 内模控制的提出 内模控制(IMC)的概念是1982年由Garcia等人提出的,由于它的跟踪调节性能好,鲁棒性强,能消除不可测干扰的影响,设计比较简单,自提出之后,就成了一种设计与分析控制系统的有力工具。 内模控制的基本结构 7.1 内模控制的基本原理(1) 一般的反馈控制系统的结构 系统的反馈信号:过程的输出。此时不可测干扰对输出的影响与其他因素混在一起,有时会被淹没而得不到及时的补偿。 7.1 内模控制的基本原理(2) 图7-2 的等效内模控制系统框图 7.1 内模控制的基本原理(3) 从图7-3可以看出 7.2 内模控制的性质 若对象模型精确(Gm(z) = G(z)),内模控制具有如下的性质: 1.对偶稳定性:当控制器C(z)和对象G(z)都稳定时,内模控制系统的闭环一定是稳定的。 2.理想控制器:若模型的逆存在,设计C(z)=Gm-1(z), 则C(z)是一个理想的控制器。 3.零稳态偏差:若C(1)= Gm-1(1), 则内模控制不存在稳态偏差。 7.2.1 对偶稳定性(1) 由图7-3可得系统的传递函数为 7.2.1 对偶稳定性(2) 若对象模型精确,即 Gm(z) = G(z),则有 7.2.1 对偶稳定性(3) 若对象 G(z) 是稳定的,则特征方程 的根应全部位于单位圆内。 同样,若控制器C(z)是稳定的,则特征方程 的根也应全 部位于单位圆内 7.2.1 对偶稳定性(4) 内模控制系统的根由两部分构成: 一部分是 的根; 另一部分是 的根。 7.2.1 对偶稳定性(5) 内模控制的对偶稳定性:在对象模型精确(Gm(z) = G(z))的条件下,当控制器C(z)和对象G(z)都稳定时,内模控制系统的闭环也一定是稳定的。 内模控制解决了控制系统设计中分析稳定性的困难。 7.2.2 理想控制器(1) 若对象模型精确,即 Gm(z) = G(z),如果设计设计C(z)=Gm-1(z), 且Gm-1(z)存在并可实现, 则由系统的脉冲传递函数可得到 Y(z)=G(z)C(z)[W(z)-D(z)]+D(z) W(z), 给定值扰动下 0 , 外部扰动下 称C(z)是一个理想的控制器。 7.2.2 理想控制器(2) 理想控制器的局限性 (1)先决条件是Gm-1(z)存在并可实现。而对一般对象G(z)往往有纯滞后,有时还有单位圆外的零点,这时C(z)是不可实现或不稳定的。 (2) 系统对模型误差将会十分敏感。 7.2.2 理想控制器(3) 设计时将对象模型分解成:带稳定零点和带不稳定零点及纯时滞的两部分: 设计时只利用其含稳定零点和极点部分 如果Gm-1(z)存在的条件不满足,可寻找一个Gm-1(z)的近似解实现内模控制。 7.2.3零稳态偏差(1) 若闭环系统稳定, 即使模型与对象失配,只要控制器设计时满足 C(1)= Gm-1(1) 即控制器静态增益为模型静态增益的倒数,则根据终值定理,在给定值作单位阶跃变化时,由系统的传递函数得到系统输出的稳态值为 1,即 7.2.3零稳态偏差(2) 因此,内模控制系统不存在稳态偏差。 7.3 内模控制器的设计(1) 对偶稳定性和理想控制器的前提都是定对象模型精确(Gm(z) = G(z)) 若模型失配, 即使对象和内模控制器都稳定, 闭环系统还有可能不稳定。 为使系统具有足够的鲁棒性,内模控制系统在控制器前附加一个滤波器,通过调整滤波器的结构与参数来稳定系统,并使系统获得期望的动态品质与鲁棒性。 7.3. 内模控制器的设计(2) 设加入的滤波器传递函数为F(z), 7.3.内模控制器的设计(3) 加入滤波器后的特征方程为 当模型失配使系统不稳定时,可通过设计F(z)使特征方程的全部特征根位于单位圆内。 7.3.内模控制器的设计(4) F(z)的设计方法依对象特性的具体情况而有所不同。如可选 或 7.3.内模控制器的设计(5)

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