《大时滞系统控制方法》报告

1、程姓唾孑科技大净GUILIN UMlVEftSETY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY大时滞系统控制方法论文课 题：大时滞系统控制方法专 业：电气工程及其自动化姓名学号：2019年6月 27日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 大时滞系统概述3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 大时滞系统控制方法简介4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 经典控制方法4 HYPERLINK l bookmark28

2、o Current Document Smith控制算法4 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 达林算法4 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 现代控制方法5 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 预测控制5 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 自适应控制5 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 智能控制方法5 HYPERLINK l bookmark49 o

3、Current Document 结合本组题目具体阐述一种方法一一史密斯(Smith)预估控制6基本概念6滞后6 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 纯滞后6 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 史密斯预估控制7应用与意义7实际预估器7 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 应用效果8 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 意义8 HYPERLINK l bookmark72 o Current Docume

4、nt 关于结果的分析讨论8使用PID调节器，并用试凑法确定参数8PID调节器原理8 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 试凑法9 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document Smith预估器设计调节器11方案设计11 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 调节器D(S)的确定11 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document Smith预估器的确定12 HYPERLINK l bookmark108 o Current

5、Document 比较两种方法的结果12大时滞系统概述工业过程控制中，系统的滞后现象普遍存在，滞后程度不一。在控制系统中 如果被控对象存在纯滞后，则系统的控制难度加大，控制的品质会变差，系统的 稳定性也会降低，延迟时间越大，系统就越不稳定。由于纯延迟环节的存在，使 得被控量不能及时地反映系统所遇到或承受的扰动，即使检测到了信号使控制器 动作，也要经过一段延迟时间后才能使被控制量得到控制。这样系统必然会经过 较长的调节时间并产生明显的超调。带延迟特性的被控系统的控制难度随滞后程 度的增加而加大。一般用系统纯滞后时间和动态时间常数的比值来反映滞后的程度，当该比值 大于等于0.5时，被控系统为大时滞

6、系统。大时滞系统以其复杂的特点一直是工 业控制中的难题。在工业生产过程中，被控对象除了具有容积滞后外，往往不同程度地存在着 纯滞后。由于过程通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时的反映系统所承受 的扰动。若用y (t)来表示输出，而用r (t)来表示输入，-：表示纯滞后时间， 则有：二 r(t-T)对上式两边取拉氏变换可得：Y(S)R(S)eTS其传递函数为：此外，如反应器、管道混合、皮传送、轧辊传输、多容量、多个设备串联以 及用分析仪表测量流体的成分等过程都存在着较大的纯滞后。在这些过程中，由 于纯滞后的存在，使得被控变量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号 达到调节器，调节机构接受调

7、节信号后立即动作，也需要经过纯滞后时间以后， 才波及被控变量，使之受到控制。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量 和较长的调节时间，甚至使得系统产生振荡等。如果用-表示具有时滞系统的纯 滞后时间，T表示系统的惯性时间常数，那么一=可作为对时滞系统难控程度 的度量指标，不妨称之为时滞系统难控程度指标或简称时滞系统的难控程度。一 般认为纯滞后时间与系统的时间常数之比。0.5,就认为该系统属于大时滞系 统。纯滞后时间和惯性时间常数都是动态系统固有的特性，它与系统所采用的控 制策略无关。但注意到，如果不考虑其它因素的影响，动态系统的纯滞后时间主 要包含在控制作用中。所以在控制系统设计中，选择控制方

8、法要使得系统的纯滞 后时间尽可能的小。对于大时滞系统，常规的控制方法如PID已经显得无能为 力，因此对其需要采用更为先进的控制策略。大时滞系统控制方法简介大时滞系统控制方法：大时滞系统的控制方法包括经典控制方法、现代控制 方法、智能控制方法。经典控制方法经典控制理论产生于20世纪40-60年代，它以传递函数为数学工具，研究 单输入、单输出的自动控制系统的分析与设计问题。主要的研究方法有时域分析 法、根轨迹法和频率特性法。经典控制理论能够有效地用来分析和设计线性、定 常单变量系统，在工业控制领域中是一种占统治地位的控制理论。经典控制方法 有Smith控制和Dahlin(达林)控制。Smith控制

9、算法Smith控制算法是最早专门应用于时滞系统控制的方法。它是由瑞典科学家 Smith提出的。Smith控制的基本思路是预先估计出过程在基本扰动下的动态特 性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了-的被控量提前反映到控制器 中，并使之动作，以此来减小超调量和加快调节过程o Smith控制在理论上能实 现类似无滞后的控制效果，但在实际应用却不尽人意。主要是Smith算法过度依 赖于被控对象的数学模型，它在模型估计准确的情况下能实现较好的控制作用， 而在模型估计有偏差的情况下控制品质就会变差。然而在现代复杂的工业控制中， 被控对象的数学模型是很难精确的估计出来，此外Smith算法对外部扰动，参

10、数 变化也很敏感，因此Smith控制很难推广到实际应用中。达林算法达林算法是美国IBM公司的工程师达林(Dahlin)在1968年提出的一种不同 于常规PID控制规律的新型算法。该算法的最大特点是将期望的闭环响应设计成 一阶惯性加纯延迟，然后反过来得到满足这种闭环响应的控制器。达林控制器的 结构简单，控制系统的鲁棒性好，能够达到最优Smith预估器的控制效果。虽然 Dahlin控制器具有很多优点，但实际应用中效果较差，一个重要的原因是该控 制器会产生振铃现象。Dahlin控制器能有效地应用于大时滞系统的控制。现代控制方法现代控制方法产生于20世纪60-70年代，它以线性代数和微分方程为主要 的

11、数学工具，以状态空间为基础，形成了以系统辨识、最优控制、最优估计、自 适应控制为代表的理论体系。现代控制理论不仅研究系统的输入、输出特性，而 且还研究系统的内部特性。它适合研究多输入、多输出的非线性或时变的复杂系 统。对大时滞系统的控制方法有预测控制和自适应控制。预测控制预测控制是20世纪70年代后期提出的一类新型计算机控制算法。它是一种 基于模型预测的启发式控制算法，利用当前值和过去值去预估过程的未来值，以 滚动确定当前的最优输入策略。由于时滞控制系统解决问题的关键是对系统输出 的预测，而预测控制可以根据过去和现在的输出来预测未来的输出，可以说预测 控制有着天生克服滞后的优点，因此预测控制非

12、常适用于时滞系统。预测控制算 法中比较典型的算法有动态矩阵控制、广义预测控制、模型算法控制等。自适应控制自适应控制通过修正控制参数以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应 控制也是一种基于数学模型的控制方法，只是控制时所依据的关于模型的扰动的 先验知识比较小，需要在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐 步完善。具体的说，自适应控制依据对象的输入输出数据，不断的辨识模型参数， 可以看出自适应控制在本质上是通过对系统某些重要参数的估计，以补偿的方法 来克服干扰和不确定性。由于自适应控制能对系统参数具有良好的适应能力，因 而在时滞系统中有着一定的应用范围。但它依赖被控对象的数学模型，所以

13、在对 大时滞系统控制时并非单独出现，而是与其它方法相结合的方式出现。智能控制方法智能控制是一门新兴的交叉前沿学科，它是应用人工智能的理论与技术和运 筹学的优化方法并将其同控制理论方法与技术相结合,在未知环境下，仿效人的 智能，实现对系统的控制。智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能 机器实现其目标的自动控制，它可以很好地解决包括经典控制和现代控制理论在 内的传统控制难以解决的复杂的控制问题。相比传统控制，智能控制具有以下几 个优点：（1）自学习能力：即智能控制系统能对一个未知环境提供的信息进行识别、 记忆、学习，并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力。它不需几要依靠对 象的数学模型，

14、而是根据系统的控制效果不断地学习，以达到自动调整控制参数 的目的，实现最佳的控制效果。（2）自适应能力：控制系统具有适应被控对象动力学特性变化、环境变化 和运行条件变化的能力。这种智能行为实质上是一种从输入到输出之间的映射关 系，它不依赖模型，如果对象的参数发生了变化，那么控制器的参数也会自动地 调整以适应系统的变化。（3）自组织能力：即智能控制系统对复杂任务和分散的传感信息有自组织 和协调的能力，可以在任务要求的范围内自行决策，主动采取行动。当出现多目 标冲突时，在一定限制下，控制器可在一定范围内自行解决，使系统能满足多目 标、高标准的要求。对于时滞系统的控制，智能控制主要包括专家控制、模糊

15、控 制、神经网络控制三个部分。结合本组题目具体阐述一种方法一一史密斯（Smith）预估控制史密斯（Smith）预估控制，是一种针对纯滞后系统设计的控制策略。史密斯 预估控制，或称史密斯预测补偿控制，是一种纯滞后补偿控制手段。基本概念滞后滞后是指一个事物的出现或发展比预计的时间晚，或比相关联的其他事物的 出现或发展晚。滞后有因停滞或阻滞而落后的意思。在控制理论中，滞后指在时间上被控变量的变化落后于扰动变化，是一种十 分常见的现象。因为在实际工业生产中，控制通过往往不同程度的存在滞后情况。 一般将控制系统中的滞后分为容量滞后和纯滞后。纯滞后纯滞后是指，在物料、能量或信号传输过程中由于传输速度有限而

16、产生的延 迟。一般纯滞后就是指由传输速度限制导致的滞后。带纯滞后环节的控制系统如 下图所示。史密斯预估控制史密斯预估控制是一种纯滞后补偿控制，其通过引入一个和被控对象并联的 补偿器对纯滞后进行削弱和消除。史密斯预估器的引入如下图所示。Smith预估器I- |应用与意义实际预估器从现实的操作出发，实际上的史密斯预估器通常不是并联在被控对象上的， 而是反向并联在控制器上的，如下图所示。应用效果经过史密斯预估器的补偿，纯滞后环节被转移到了闭环控制回路之外，因而 不会对系统产生不利影响。由拉氏变换的位移定理可知，纯滞后特性只是将原输 出信号推移了时间？，不会改变输出信号的波形和性能表现。意义在工业过程

17、中，被控对象或多或少存在一定的纯滞后特性，纯滞后特性往往 使系统稳定性降低，动态性能变坏，可能引起超调和振荡；史密斯预估器的引入 很好的补偿了大迟延对象的纯滞后特性，提高了系统的稳定性和动态性能。对于 以稳定性为首要要求、快速性为次要要求的系统，史密斯预估器十分有效。关于结果的分析讨论设有一纯延时被控对象G(s)10e8sG(s) = i)(5s + 1)使用PID调节器，并用试凑法确定参数PID调节器原理比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与 输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steadystate error)。积分(I)控制：在积分控

18、制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正 比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为 了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的 积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随 着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接 近于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态 误差。（3）微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即 误差的变化率

19、）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay） 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使 抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是 零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅 是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这 样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至 为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象， 比例+微分（PD）控制器能改善系统在

20、调节过程中的动态特性。试凑法实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响 应曲线。（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中 选择的比例系数减小为原来的5080%，再将积分时间置一个较大值，观测响 应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑 至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意， 则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相 应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参 数。PID控制系统框图经过整定得到以下参数：Kp= 0.055,Ki= 0.0073,Kd= 0.11。相关的原理图及仿真波形图如下:PID控制系统simulink仿真图仿真波形图Smith预估器