《Model-Reference Robust Tuning of PID Controllers》

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《Model-Reference Robust Tuning of PID Controllers》
模型参考鲁棒PID控制器
作者：
Víctor M. Alfaro
Ramon Vilanova
出版社：Springer
出版时间：2016年

《Model-Reference Robust Tuning of PID Controllers》

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《Model-Reference Robust Tuning of PID Controllers》

《Model-Reference Robust Tuning of PID Controllers》

目录
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Two-Degree-of-Freedom PID Controllers Structures . . . . . . . . . . . 7
2.1 Proportional Integral Derivative Control Algorithm. . . . . . . . . . 8
2.2 Two-Degree-of-Freedom (2DoF) PID Control Algorithms . . . . . 9
2.3 PID Control Algorithms Conversion Relations . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 PID Controller with Two Input Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Control System Evaluation Metrics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Closed-Loop Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Control System Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Control Effort Use Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Control System Robustness Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Controller Fragility Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 Evaluation Metrics Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Model-Reference Robust Tuning Design Methodology . . . . . . . . . . 29
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Optimization Cost Functionals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Closed-Loop Reference Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5 Normalized Controlled Process Models and Controllers . . . . . . . . . 35
5.1 Timescaling and Consistent Controller Design . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Controlled Process Normalized Parameters Models. . . . . . . . . . 36
5.3 Normalized Controllers Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6 MoReRT Control of Overdamped Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Proportional Integral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.1 Control System Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.2 PI Tuning for Overdamped Closed-Loop
Response Target. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2.3 PI Tuning for Under-Damped Closed-Loop
Response Target. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3 Proportional Integral Derivative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.1 2DoF Ideal PID with Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.2 2DoF Ideal Parallel PID with Two Input Filters . . . . . . 58
6.3.3 Evaluation of MoReRT Controllers. . . . . . . . . . . . . . . 61
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7 MoReRT Control of Inverse Response Processes . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 Proportional Integral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.3 Proportional Integral Derivative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.1 2DoF Ideal PID with Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3.2 2DoF Ideal PID with Two Input Filters. . . . . . . . . . . . 75
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8 MoReRT Control of Integrating Processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.2 Integrating Second-Order Plus Dead-Time Models . . . . . . . . . . 80
8.2.1 2DoF Proportional Integral Control. . . . . . . . . . . . . . . 80
8.2.2 2DoF PI Controller with Two Input Filters . . . . . . . . . 83
8.3 Integrating Plus Dead-Time Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.1 Proportional Integral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.3.2 2DoF PID Controllers with Two Input Filters . . . . . . . 86
8.4 Analysis of MoReRT Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4.1 PID2IF Comparison for Integrating First-Order
Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.4.2 Control of an Integrating Third-Order Process . . . . . . . 88
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9 MoReRT Control of Unstable Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2 2DoF Proportional Integral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3 2DoF PID Controller with Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9.4 2DoF PID Controllers with Two Input Filters . . . . . . . . . . . . . 98
9.5 Analysis of MoReRT Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.5.1 PI2 Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.5.2 PID2IF Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
10 MoReRT Design Methodology Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.1 MoReRT Design with Control Effort Specifications . . . . . . . . . 106
10.2 Use of a Different Load Disturbance Path . . . . . . . . . . . . . . . . 112
10.3 Robust Tuning of Two-Degree-of-Freedom Dead-Time
Compensating Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
11 MoReRT Practical Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.1 Commercial Two-Degree-of-Freedom PID Controllers . . . . . . . 130
11.1.1 ABB Control Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
11.1.2 Emerson Process Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
11.1.3 Mitsubishi Electric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
11.1.4 National Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
11.1.5 OMRON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
11.1.6 REX Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
11.1.7 Siemens AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
11.1.8 Toshiba Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
11.1.9 Main Characteristics and Limitations . . . . . . . . . . . . . 140
11.2 MoReRT Controllers Design Implementation . . . . . . . . . . . . . . 140
11.2.1 MoReRT Tuning Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
11.2.2 MoReRT Controllers Design Procedure Outline . . . . . . 145
11.3 Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11.3.1 Control of a Continuous Stirred-Tank Heater . . . . . . . . 149
11.4 Chapter Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Appendix A: MoReRT Controllers Design Demo Software . . . . . . . . . . 169
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

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