陈凌韬
北京化工大学信息科学与技术学院 北京市100029
Apply and design on PH control of sewage by IMC PID
一、内容摘要
面对国内用水紧张以及水污染严重的现状，采取有效措施对污水进行处理已经成为亟待解决的难题。污水处理涉及到多个复杂控制过程，PH值中和反应是其中非常重要的过程之一，PH值对其它出水指标有着重要影响，它的稳定控制将直接影响污水处理整个过程是否达标。
为此，报告中提出了PH值中和过程的内模PID的控制策略。由于污水处理现场中和反应过程中，PH值的控制具有强非线性、大滞后性、不确定性 以及鲁棒性差的特点，本文针对以往单闭环PID对PH值的控制品质存在不足，提出将内模控制策略应用在污水处理PH值中和过程，设计内模PID控制器来稳定调节PH值。
为了验证所设计控制器的可行性，利用软件仿真与实验，与常规的控制方式从多个方面进 行分析对比，内模PID控制能够明显的改善被控对象的目标值跟踪特性，提高抑制干扰 能力，系统的动态特性可以很好的满足。即使发生模型失配，也能实现很好的控制。并且能够减少参数调整的个数，结构设计上也算简单。
利用软件进行仿真与实验，结果表明，该方法可以更好的改善控制系统的性能。
二、正文
1、内模PID算法
a)内模控制的原理
上世纪八十年代，Garcia和Morari两位学者经过长时间的研究复杂对象的控制过 程，全面分析多变量、非线性、时变的对象模型，结合史密斯预估计控制策略，系统的向世人阐述了一种全新的控制方法，这就是内模控制方法。依据被控对象的数学模型, 经过简单有效的设计步骤，就可以设计出针对实际被控对象的内模控制器，用该控制器对被控对象进行控制，可以提高系统动态变化的跟踪能力，获得良好的控制效果，实用性也特别强，同时对外界的强干扰也有很好的抑制效果。虽然PID就能解决自动化生产中很多的控制问题，但常规的PID控制很难有效的控制具有非线性、大滞后性、 多变量耦合的复杂系统。用内模控制的思想来设计的等效PID控制器，称这种控制方式为内模PID。对比于PID调整三个参数，仅仅只需要调整一个参数，大大缩短 参数调整的时间，提高了工作效率。同时，内模PID对改善大时滞的控制对象有着很 好的鲁棒性和抗干扰性。
将传统的反馈环节进行改变得到全新的内模控制的结构，局部串级控制增加一个 内部模型，一般的闭环系统将输出量直接作为系统的反馈量，而内模控制的反馈量是 系统的扰动估计量。在等效的内模控制器中加入了一个滤波器，当受到外界强干扰或者产生被控模型失准的情况下，滤波器可以有效地控制系统产生的反馈量波动。系统的设定的输入值与外界干扰量对系统的响应，是互相独立的。用内模控制控制的系统设计，不仅具有很好的跟踪系统输入响应,而且能够很好的抑制系统内外的干扰性，鲁棒性能比较好。典型的内模控制系统图如图１.１所示。
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分析上述表达式，假设内部过程模型是准确的，即G＊(s)与G(s)是相等的，那么 反馈量只与外部的干扰有关系。如果外部的扰动量也不存在，即是GIMC(s)等于零，那么 在种情况下，此时的反馈量应为零。这样，在没有任何其他未知的输入，内部过程模 型不确定的条件下，表明内模控制是一种具有开环结构的串级系统。对于具有开环结 构的系统来讲，最重要的是抑制整个控制过程中出现的不确定性因素。换话句话而言，就是说如果输入和控制过程都是准确无误的,那么整个系统就只需要简单的前馈控制，无需复杂的闭环控制。但是，在实际的自动化控制生产中，来自于系统内外的干扰是 不可避免的，而且要想建立准确无误的控制模型也是相当困难。所以，就正如图１.３中所示，反馈信息ｄ(s),就是用来表征由于过程模型的不准确性以及外部的干扰对系整个系统的影响。由于加入了反馈信息，进而使整个系统变成了闭环控制结构。同开环系统相比，闭环控制不仅可以使控制精度提高，而且抑制干扰能力强
a)内模控制特性
内模控制理论作为一种先进的控制策略，本身就有很多的特性，但是最重要的特 性有三个：对偶稳定性、理想控制器性、以及零稳态偏差特性。
2、内模控制器的设计
a)内模控制器存在的问题
b)问题的解决
１.将模型分解为最小相位（可以求逆）与非最小相位（不可求逆）
２.添加滤波器对非最小相位进行补偿，同时通过改变滤波器阶次是控制器有理。
3、PH值中和过程的内模PID控制
a)PH值内模PID控制设计
在PH值中和反应过程中，运用内模控制，设计出等效PID的内模控制器来对PH 值的数学模型进行控制。整个系统的主要目标是控制出水的PH值稳定跟踪设定值， 控制器的输出作用在中和液阀门上，来调节阀门的开度，加酸或加减来调整污水的PH 值，
PH值中和过程的数学模型为:
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a)内模控制PID控制系统仿真
为了验证本文所设计的控制器对PH控制的有效性，本文在MATLAB仿真环境的 下搭建系统框图如图1.5所示，通过整定整定法，来对参变量进行合理的赋值，将参 变量的取值代入控制器的传递函数表达式中，最终完成控制器的设计。在搭建好的程 序框图下对被控对象进行仿真，分别从抗干扰性、模型失配、鲁棒性以及随动跟踪性 等多个方面进行仿真
实验对比，全面论证分析内模PID控制器对复杂控制过程系统特性的控制作用。
三、参考文献
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