带前馈装置的内模控制系统

来源 :科教导刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aaronqi666
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要本文分析了前馈控制在时滞对象系统的不足之处,提出在内模控制中加入前馈装置去抑制已知扰动。仿真实例说明了这种方法是正确可行的。
  关键词前馈装置 内模控制 时滞系统
  中图分类号:TP2文献标识码:A
  
  0 引言
  內模控制(InternalModelControl简称IMC)是在80年代初由GarciaC.E等提出的,当时产生的背景主要有两方面:一是对当时的两种预测控制算法MAC和DMC进行分析,二是作为Smith预估其的一种扩展。内模控制优点是结构简单、设计方法直观简便、在线调节参数少、并且参数调整方针明确、对大时滞系统的控制和系统的鲁棒性与抗扰性的改善均有很好的效果,因此自从其理论提出时便在工业中有广泛的应用。①
  扰动在实际控制系统中是无处不在的,因此如何抑制或减小扰动对输出的影响有着重要的意义,抑制已知扰动的常见方法之一是为控制系统增加前馈装置,②本文指出了常见前馈装置的补偿的不足,综合内模控制和前馈装置的优点,提出带有前馈装置的内模控制系统,仿真结果表明该方法能获得满意的控制效果。
  1 带有前馈装置的内模控制系统
  带有前馈装置的内模控制系统图如图1所示,图中对象P(z)为实际被控对象,Pm(z)为被控对象模型,N(z)为扰动,F(z)为反馈滤波器,Q(z)为前馈控制器,本文中Q(z)按零极点相消法来设计。设被控对象Pm=Pm+ Pm-,其中,Pm+是Pm-的最小相位部分,Pm-是Pm的非最小相位部分,K1为非最小相位的稳态增益,则控制器Q(z)=Pm+-1K1-1f,f(z)为调节因子,面推导前馈装置Gn(z)。
  当设定值R(z)=0时,系统输出信号C(z)与扰动N(z)传递函数为:
  图1带有前馈装置的内模控制系统图
  如期望前馈装置对扰动完全补偿时,即当扰动N(z)≠0,输出C(z) = 0,由上式得:1-QPmF + GnQP = 0(1),当系统不存在模型失配,即P = Pm = Pm+ Pm-,由式(1)有:
  1-Pm+-1K1-1fPm+ Pm-+GnPm+-1K1-1fPm+ Pm -= 0,得前馈装置为:
  ∴Gn = F -(2)
  当系统含有纯时滞环节时,则Pm-为滞后环节,由(2)式知,前馈装置Gn因为分母含有滞后环节,在物理上不能完全实现,只能将时滞等效后进行近似补偿,并且在实际控制系统中,滞后环节是经常存在的,等效时滞环节不仅复杂而且会影响控制效果。
  为了解决上述问题,本文对上述的思想进行改进。由结构图1知,当阶跃扰动N(z)作用于系统时,会立即在作用于输出,但经过前馈装置的补偿信号必须经过n(n为固有时滞和纯时滞之和)步采样周期时间才能对输出进行补偿,因此期望前馈装置对扰动完全补偿是不能实现的。在实际控制中最快的补偿应该是在前馈装置的补偿信号经过n步采样周期时间滞后对扰动完全补偿。此时能在最短时间对扰动进行完全补偿,但控制量会比较大,因此为前馈装置增加一个惯性环节来调节补偿速度和控制量的大小。改进后为: = 1-z-n
  当无模型失配时,P = Pm = Pm+ Pm-,Pm- = z-n,由式(1)和(3)得:
  当受控对象为存在滞后环节的工业对象时,前馈装置按式(4)选取。
  2 仿真实例
  为了验证带前馈装置的内模控制系统的有效性,采用Matlab软件仿真。取仿真对象为工业常见的二阶惯性加纯滞后环节,③如下: (5)
  上述对象的采样周期T=0.2s,得其加零阶保持器离散化为:(6)
  按零极点相消法可知Pm=Pm+ Pm-,其中,K1=1,Pm-(z)=z-6,即控制器Q为(7)
  前馈装置Gn(z)按式(4)选取。 (下转第81页)(上接第63页)先比较两者的抗扰性,在仿真T=50s时加入幅值为0.6的阶跃扰动,当不存在模型失配时,带前馈装置内模控制系统参数的取值为:=0.8,=0.9,=0.7,常规二自由度内模中,=0.8,=0.9,仿真比较结果图如图2,由图2可见,当有阶跃扰动作用于系统时,带前馈装置的内模控制系统恢复速度比二自由度内模控制快。由此证明和二自由度内模控制系统相比,带前馈装置的内模控制系统的抗扰性得到了改善。
  分别调节二自由度内模控制系统和带前馈装置的内模控制系统,使性能都达到最优,二自由内模系统中:=0.8,=0.8,带前馈装置的内模控制系统中=0.8,=0.95,=0.75,其仿真结果图如图3,在图3中可看出,二自由内模控制和带有前馈装置的内模控制在跟踪性和抗扰性几乎一样,带前馈装置的内模控制系统中鲁棒性有所改善,但在带前馈装置的内模控制中反馈滤波器参数值远大于二自由内模控制系统中反馈滤波器的值,由内模控制性质可知当反馈滤波器参数值越大,其鲁棒性越好,所以带前馈的内模控制系统与二自由内模控制有相同的跟踪性和抗扰性时,其鲁棒性得到了很大的改善。
  3 结论
  仿真结果表明,本文所提的带前馈装置的内模控制系统比常规内模控制有着更快的抗扰性和更好的鲁棒性,其反馈滤波器参数不需要在系统的鲁棒性和抗扰性间折衷,在实际调节中可取较大的(<1)值,使系统具有良好的鲁棒性,而系统的抗扰快速性由前馈装置来调节,所以其参数的调节方针更加明确。因此,带前馈装置的内模控制能够同时具备良好的抗扰性和鲁棒性,并且其调节思想更加简单,明确,需要指出的是,在内模控制中,前馈控制器和反馈滤波器调节相互有一定的影响,因此带前馈的内模控制系统在实际的应用中需要综合考虑各因数,才能取得系统性能最大程度的改善及最佳的控制效果。
  
  注释
  ①赵曜.内模控制发展综述[J].信息与控制,2000.29(6):526-530.
  ②王树青.工业过程控制工程[M].化学工业出版社,2003.
  ③钟庆昌,谢剑英.纯滞后对象的内模控制[J].电气自动化.2000.22(1):23-26.
其他文献
摘要现代学习的认知理论认为,数学学习的过程实际上是学生的数学认知结构建立、扩大或重新组织的过程。数学教学的根本任务就是造就学生良好的数学认知结构。本文就数学认知结构的含义、特征以及如何建构良好的认知结构进行论述。  关键词数学认知结构 建构 策略  中图分类号:O119文献标识码:A    现代学习的认知理论认为,数学学习的过程实际上是学生的数学认知结构建立、扩大或重新组织的过程。数学教学的根本任
摘要齿轮减速器的设计与制造直接影响着传动的平稳性、可靠性、寿命以及劳动生产率,CAD技术为齿轮减速器设计的柔性化、快速化和自动化提供了有效的途径。遵循机械设计的一般方法,运用智能设计系统开发工具DEST建立齿轮减速器的智能设计系统,以完成齿轮减速器的方案设计、详细设计以及工艺设计,能够更好地缩短设计周期,提高齿轮减速器的设计与制造质量。  关键词智能设计 齿轮减速器 知识库 知识表达  中图分类号
针对华北水利水电学院省级精品课程,探讨了本课程的特点,教学内容、教学方法及考核方法改革等问题,其中师资队伍建设是精品课程建设的关键.
摘要公共选修课是高校课程体系的重要组成部分,它对提高学生的综合素质具有重要意义。如何加强公共选修课的管理,提高教学质量,是各高校面临的共同问题。本文分析了当前独立学院公共选修课的开设现状及存在的问题,并根据学院的实际情况提出了相应的解决策略。  关键词公共选修课 教学质量 思考  中图分类号:G420文献标识码:A    公共选修课是高校面向各专业不同年级的学生开设的,由学生根据自己的喜好自由选择
棉花花期有了害虫,大家都很重视喷药防治,然而对喷药时间却重视不够。其实,在打药时间上还大有学问呢.棉花开花、授粉和受精时,对所处的环境条件十分敏感,若大气相对湿度大
施肥与稻瘟病发生的关系施肥种类与数量,对稻瘟发生的关系非常密切。据东北农业科学研究所(1953)的试验结果,每公顷施N 200斤、P 200斤、K 200斤的,较每公顷施N 140斤、P 50
摘要20世纪计算机的发明与计算机技术的不断更新对经济与社会的发展起了极大的推动与促进作用。本文分析了计算机应用地位的重要性、总结了当前国内计算机应用现状(以网上会计、网络银行和电子商务为例),并在此基础上提出了对策建议,希望本文的研究能对我国的计算机应用事业的发展有所帮助。  关键词计算机应用 对策建议 网上会计 网络银行  中图分类号:TP3文献标识码:A    计算机应用是计算机技术实践化,计
摘要综合布线系统(PDS)在现代使用的越来越多,本文从智能建筑和综合布线系统的概念和特点入手,根据其特征,主要分析了在实际中的综合布线系统和传统布线相比所体现出来的经济性,主要分别从初期投资和性能价格比随时间变化两个方面来阐述其经济优越性。  关键词智能建筑 综合布线系统 经济性分析  中图分类号:TP3文献标识码:A    伴随着着信息科技的进步和社会的发展,越来越多的现代化的智能建筑应运而生,
摘要通过分析当前工科院校材料力学的教学现状,创建材料力学新的教学内容和课程体系;以学生为本,对教学方法与教学手段进行改革;建立新的材料力学课程考试体系和考试方法。  关键词材料力学 教学内容改革 教学方法改革  中图分类号:G420文献标识码:A    1 材料力学教学现状及存在的问题  材料力学是各工科专业非常重要的专业基础课,它对于培养学生解决工程实际问题的能力及对其它后续课程的学习具有举足轻