完整版基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究毕业设计.docx
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完整版基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究毕业设计
毕业设计报告（论文）
基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究
所属系化工与制药工程系
专业化学工程与工艺
姓 名王大林
指导教师陈夕松
设计地点东南大学四牌楼校区动力楼119
东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）
诚信承诺
本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。
如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。
学生签名：
日 期：
基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究
摘要
内模控制是基于过程数学模型而进行控制器设计的一种新型控制策略。
内模控制具有很多优点，如设计简单，控制性能好，性能分析优越等。
随着工业过程自动化的普及，过程控制越来越受到控制界的广泛关注。
内模控制就是其中之一，它是以控制内部数学模型为基础，通过控制内部模型来达到控制整个系统稳定，进而达到工业过程生产指标的要求。
所以内模控制不仅是一种先进的控制算法，而且是研究预测控制模型的控制策略的重要理论基础！
本论文基于东南大学过程控制实验室HGK-1型过程控制实验平台，以该平台中的液位过程为研究对象，设计基于可编程序控制器（PLC）的过程控制系统，采用内模控制（IMC）算法，仿真并实验研究IMC在该过程中的应用效果。
通过本次学习掌握IMC原理及算法，为以后在工作中的工程实际应用打下良好的铺垫！
论文在介绍了HGK-1型过程控制实验平台后，阐述了液位过程建模的方法和特点。
在机理建模，试验建模和混合建模中选用试验建模方法建立了被控过程的数学模型。
设计液位过程PLC控制系统，包括液位计、流量计、调节阀、PLC输入输出模块的接线，以及与PC机间的通讯连接。
仿真比较了IMC-PID控制及IMC的动态与静态性能。
为进一步提高控制系统的动静态性能，设计采用串级IMC控制方案，既提高了系统的动态特性，又保证了系统的稳态精度。
编写基于PLC的IMC应用软件，以及基于PC上位机的应用组态软件，实现液位过程的自动控制和监督管理，仿真和实验证明了该方案的有效性。
仿真研究算法超调和实际水箱液位超调基本上都稳定在设定值附近，达到了设计要求。
关键词：
内模控制;串级控制;IMC-PID;PLC监控
BasedoninternalmodelcontrolfortheapplicationofPIDcontrolintheprocess
Abstract
Internalmodelcontrolisbasedonthemathematicalmodelofanovelcontrolstrategyforcontrollerdesign.Theinternalmodelcontrol,goodcontrolperformance,superiorperformanceanalysis.Alongwiththedevelopmentofindustrialprocessautomation,processcontrolincontrolfield.Theinternalmodelcontrolisoneofthem,itistocontrolthemathematicalmodel,theinternalmodelcontroltoachievestablecontrolofthewholesystem,andachievetheproductionindexofindustrialprocessrequirements.Sotheinternalmodelcontrolisnotonlyakindofadvancedcontrolalgorithm,butalsoistheimportanttheoreticalbasisofpredictioncontrolmodel!
Inthispaper,processcontrollaboratoryofSoutheastUniversityexperimentalplatformbasedonHGK-1typesofprocesscontrol,thelevelprocessoftheplatformastheresearchobject,designbasedonprogrammablecontroller（PLC）oftheprocesscontrolsystem,theinternalmodelcontrol（IMC）algorithm,theapplicationeffectofexperimentalresearchofIMCintheprocessofsimulationand.ThroughthestudyandmastertheIMCprincipleandalgorithm,forthefutureworkinthepracticalengineeringapplicationtolayagoodfoundation!
BasedontheintroductionoftheHGK-1processcontrolexperimentalplatform,expoundsthecharacteristicsandmethodsofliquidlevelprocessmodeling.Themechanismmodeling,experimentalmodelingandofliquidlevelprocesscontrolsystemforPLC,includingliquidlevelmeter,flowmeter,controlvalve,PLCinputoutputmodulewiring,andinterPCcommunicationconnection.SimulationofdynamicIMC-PIDcontrolandIMCandstaticperformance.Inordertoimprovethecontrolsystemdynamicandstaticperformance,designthecascadeIMCcontrolscheme,whichimprovesthedynamiccharacteristicsofthesystem,andensurethesteadystateaccuracyofthesystem.PreparationofPLCbasedonIMCapplicationsoftware,andbasedontheapplicationofconfigurationsoftwarePCPC,torealizetheautomaticcontrolandthesupervisionlevelprocess,thesimulationandexperimentresultsshowtheeffectivenessoftheproposedscheme.SimulationResearchonthealgorithmofovershootovershootactualwaterlevelbasicallystablearoundthesettingvalue,reachedthedesignrequirements.
Keywords:
Internalmodelcontrol;Cascadecontrol;IMC-PID;PLCcontrol
摘要
Abstract
第一章引言1
1.1引言1
1.2内模控制的发展现状与前景1
1.3本文的研究目的2
1.4该论文基于内模控制的PID在过程控制中的应用研究的主要工作内容和章节如下：
3
第二章过程建模4
2.1系统装置简介4
2.2液位过程建模7
2.2.1建立过程数学模型的目的7
2.2.2过程数学模型的求取方法8
2.2.3液位试验建模9
2.2.4液位建模步骤9
第三章内模控制原理及仿真研究11
3.1内模控制器原理11
3.1.1IMC-PID原理12
3.2内模控制器设计13
3.2.1流量的串级控制设计14
3.2.2基于内模控制的PID控制器设计14
3.3仿真研究16
第一章引言
1.1引言
内模控制是20世纪80年代初由Garciac．E．和MohedM．等人提出的，其产生背景主要有两个方面：
一是为了对当时提出的两种基于非最小化和非参数模型预测控制算法MAc和DMc进行系统分析；其次是作为sm岫预估器的一种扩展，使系统设计更为简便，鲁棒性及抗干扰性大为改善。
因此，内模控制不仅是一种实用的先进控制算法，而且是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础，以及提高常规控制系统设计水平的有力工具[1]。
随着高新技术的发展和应用对控制系统性能的要求越来越高，控制界对控制系统的研究也日益完善。
在工业控制领域相当多的控制问题可以用简单的PID控制器解决，但许多被控对象机理比较复杂，具有大纯滞后、明显非线性和多变量藕合性。
其控制过程在其它一些干扰条件的影响下，控制过程的模型参数甚至结构均会发生变化，因此采用常规PID控制器，以一组固定不变的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效果[2]。
所以这就要求我们不断改进控制系统的参数及结构去适应多变的控制对象，进而使得控制效果达到我们工业生产的目的。
内模控制作为一种新型的控制方法，随后又被推广到MIMO系统。
理论分析和仿真实验表明IMC也是多变量过程调节器设计的重要方法之一。
在其他的一些领域如非线性过程的控制，大时滞过程的控制和鲁棒性调节器的研究与控制都得到充分的发挥。
与传统的PID控制系统相比，内模控制有许多优点，其具有结果简单，参数整定的较少，并且在应用过程中简化明了，在线调控也比较容易等优点。
内模控制的综合性能需在控制系统动态性能和鲁棒性能之间折中。
内模控制对于鲁棒性和抗干扰性的改进较为突出，而且对于大时滞系统的控制也有良好的控制效果。
内模控制是分析和设计其他控制系统的有力助手，尤其是对于预测控制和PID控制发挥着优越的应用。
所以内模控制自从它进入控制界以来受到了越来越广泛的重视，而且在实际的工业生产中也取得了成功的应用，如机械过程控制，液位控制，流程控制，矿物加工控制，化工生产控制等。
当今的内模控制已在控制界占有无可取代的一席之地。
1.2内模控制的发展现状与前景
内模控制（IMC）产生的背景主要有两个方面：
一是为了对当时提出的两种预测控制算法MAC和DMC进行系统分析；其次是作为Smith预估器的一种扩展，使设计更为简便，鲁棒及抗扰性大为改善。
在过程工业控制中，普遍使用的调节器类型是PID型。
它具有结构简化，操作简单，在实际的工业生产中具有优越的应用价值，因此PID控制器参数的整定方法一直受到国内外控制领域的开发和探索。
1974年，德国学者frank首先提出内模控制结构，1979年Brosilow在推断
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