电气工程学院现代控制理论先进的控制技术第1页，共40页，星期日，2025年，2月5日7．1内模控制技术内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。它与史密斯预估控制很相似，有一个被称为内部模型的过程模型，控制器设计可由过程模型直接求取。设计简单、控制性能好、鲁棒性强，并且便于系统分析。第2页，共40页，星期日，2025年，2月5日图6－1内模控制结构框图——实际对象；——对象模型；——给定值；——系统输出；——在控制对象输出上叠加的扰动。内模控制器的设计思路是从理想控制器出发，然后考虑了某些实际存在的约束，再回到实际控制器的。1.什么是内模控制？第3页，共40页，星期日，2025年，2月5日讨论两种不同输入情况下，系统的输出情况：（1）当时：假若模型准确，即由图可见假若“模型可倒”，即可以实现可得不管如何变化，对的影响为零。表明控制器是克服外界扰动的理想控制器。则令第4页，共40页，星期日，2025年，2月5日（2）当时：假若模型准确，即又因为，则表明控制器是跟踪变化的理想控制器。当模型没有误差，且没有外界扰动时其反馈信号——内模控制系统具有开环结构。第5页，共40页，星期日，2025年，2月5日2.内模控制器的设计步骤1因式分解过程模型式中，包含了所有的纯滞后和右半平面的零点，并规定其静态增益为1。为过程模型的最小相位部分。步骤2设计控制器这里f为IMC滤波器。选择滤波器的形式，以保证内模控制器为真分式。第6页，共40页，星期日，2025年，2月5日——整数，选择原则是使成为有理传递函数。对于阶跃输入信号，可以确定Ⅰ型IMC滤波器的形式对于斜坡输入信号，可以确定Ⅱ型IMC滤波器的形式为——滤波器时间常数。因此，假设模型没有误差，可得第7页，共40页，星期日，2025年，2月5日设时表明：滤波器与闭环性能有非常直接的关系。滤波器中的时间常数是个可调整的参数。时间常数越小，对的跟踪滞后越小。事实上，滤波器在内模控制中还有另一重要作用，即利用它可以调整系统的鲁棒性。其规律是，时间常数越大，系统鲁棒性越好。第8页，共40页，星期日，2025年，2月5日讨论（1）当,,时，滤波时间常数取不同值时，系统的输出情况。（2）当,，由于外界干扰使由1变为1.3，取不同值时，系统的输出情况。例7－1过程工业中的一阶加纯滞后过程（无模型失配和无外部扰动的情况）。则在单位阶跃信号作用下，设计IMC控制器为第9页，共40页，星期日，2025年，2月5日1～4曲线分别为取0.1、0.5、1.2、2.5时，系统的输出曲线。图6－2过程无扰动图6－3过程有扰动第10页，共40页，星期日，2025年，2月5日例7－2考虑实际过程为内部模型为(a)IMC系统结构（b）Smith预估控制系统结构图6－4存在模型误差时的系统结构图比较IMC和Smith预估控制两种控制策略。第11页，共40页，星期日，2025年，2月5日不存在模型误差仿真输出存在模型误差时IMC仿真存在模型误差时Smish预估控制仿真(a)(b)(c)第12页，共40页，星期日，2025年，2月5日3内模PID控制图6－6内模控制的等效变换图中虚线方框为等效的一般反馈控制器结构图中虚线方框为内模控制器结构第13页，共40页，星期日，2025年，2月5日用IMC模型获得PID控制器的设计方法反馈系统控制器为即因为在时，得：可以看到控制器的零频增益为无穷大。因此可以消除由外界阶跃扰动引起的余差。这表明尽管内模控制器本身没有积分