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控制系统（1）
采用PADE函数,有理函数来近似
%PID&& 带滞后的传递函数,not use feedback,but pade
%将迟延环节表示成一个多项式,有理函数来近似
% 传递函数为G（s）=2*e^(-0.5s)/(2s+1),
num=[0 2];
den=[2 1];
delay=0.5;
%T为延迟时间常数，n为要求拟合的阶数
[n2,d2]=pade(delay,2)
num2=conv(num,n2);
den2=conv(den,d2);
disp('object tranfer function')
G_obj=tf(num2,den2)%object transfer function
Kp=2;Ti=2;Td=0;%由对象模型求出理想PID
%PID tranfer function
disp('PID tranfer function')
G_PID=tf(Kp*[Ti*Td,Ti,1]/Ti,[1,0])
%Close tranfer function
G=feedback(G_PID*G_obj,1);
step(G,'g')
xlabel('t');
ylabel('y');
%axis([0,12,0,1.3]);
[y,t]=step(G);
error=1-y;
plot(t,error)
xlabel('t');
ylabel('error');
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纯滞后补偿控制系统.ppt 55页
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第5章纯滞后补偿控制系统从广义角度来说，所有的工业过程控制对象都是具有纯滞后(时滞)的对象。衡量过程具有纯滞后的大小通常采用过程纯滞后和过程惯性时间常数之比。时，称生产过程是具有一般纯滞后的过程。当时，称为具有大纯滞后的过程。5.1纯滞后对控制质量的影响在控制系统中的反馈通道出现纯滞后。这时，可表示为：其中，不含纯滞后，可以求得：(5-4)(5-5)系统的闭环特征方程为：（5-6）设开环传递函数为：，则交界频率临界增益，则交界频率临界增益，则交界频率，临界增益T=0稳定条件Kc&1=0绝对稳定纯滞后的增加，引起相位滞后增加，从而使交界频率和临界增益降低，将出现两个不良后果：交界频率降低，这意味着进入系统的即使是低频周期性扰动，闭环响应亦将更为灵敏；临界增益降低，这表明为了保证闭环系统的稳定性，则系统降低控制器增益，导致闭环系统的品质下降。总之，的增加是不利于闭环系统的稳定性，使闭环系统的控制品质下降。所以，纯滞后出现在反馈通道时，系统的稳定性变差，控制质量下降。因此,出现在闭环任一环节中的纯滞后都会引起开环系统相位移的增大。使闭环系统稳定性下降，控制质量变差。而出现在干扰通道的纯滞后，不处于闭环回路中，因此，它的大小不影响系统的开环频率特性，不影响闭环系统的稳定性，也不影响控制质量。在控制系统的确定和设计时，为了提高系统的控制质量，应设法努力去减小处于闭环回路中的纯滞后。5.2史密斯预估补偿控制方案5.2.1基本原理和结构史密斯（O.J.M.Smith）在1957年提出了一种预估补偿控制方案。图中，是史密斯引入的预估补偿器传递函数。为使闭环特征方程不含纯滞后，对图5-3所示的系统，就要求：(5-12)根据（5-14）与（5-12）式，可以看到，若满足：（5-15）就能实现上述要求。这时闭环特征方程是：(5-16)这相当于把作为对象，用的输出作为反馈信号，从而使反馈信号相应提前了时刻，所以这种控制称为预估补偿控制。由于闭环特征方程不含纯滞后项，所以有可能提高控制器的增益，从而明显改善控制质量。（5-15）式代入（5-14）式得：(5-17)其中，表示没有纯滞后环节时的随动控制的闭环传递函数。对于随动控制系统，由（5-17）式，控制过程仅在时间上推迟了时间。这样，系统的过渡过程形状和品质与无纯滞后的完全相同。对于定值控制系统，由（5-18）式，控制作用要比干扰的影响滞后一个的时间，因此控制的效果不象随动控制系统那样明显,且与Tf/To比值大小有关。实际工业过程的被控对象通常是参数时变的。当参数变化不大时可近似作为常数处理，采用史密斯预估补偿控制方案有一定效果。5．2．2史密斯预估补偿控制实施中若干问题（1）预估是基于过程模型已知的情况下进行的，因此，实现史密斯预估补偿必须已知动态模型即已知过程的传递函数和纯滞后时间，而且在模型与真实过程一致时才有效。（2）对于大多数过程控制，过程模型只能近似地代表真实过程。由式(5-14)可知，其特征方程式为：由上式可知：（5-19）(a).只有当过程模型与真实过程完全一致时，即时，史密斯预估补偿控制才能实现完全补偿。(b).模型误差越大，即和的值越大，则补偿效果越差。(c)由于纯滞后为指数函数，故纯滞后的误差比的误差影响更大，即的精度比的精度更关键。（3）预估补偿控制系统的参数整定史密斯预估补偿控制系统的参数整定包括常规控制器的参数整定和预估补偿器的参数整定。常规控制器的参数整定与无纯滞后环节的控制器参数相同。预估补偿器的参数应严格按照对象的参数来确定。5．3改进史密斯预估补偿控制史密斯预估补偿控制在模型非常精确时，对过程纯滞后的补偿效果十分满意。但这种控制方案对模型的误差十分敏感。在工程应用上仍存在着一定的局限性。为此很多研究者提出了不同的改进方案。5．3．1增益自适应补偿控制这是1997年由贾尔斯（R.F.Giles）和巴特利（T.M.Bartley）提出的。它是史密斯预估补偿控制基础上的改进，其结构如图5-8所示。除法器是将过程的输出值除以预估模型的输出值；识别器中的微分时间，它将使过程输出比估计模型输出提前的时间进入乘法器；乘法器将预估器输出乘以识别器输出后送入控制器。这三个环节的作用是根据预估补偿模型和过程输出信号之间的差值，提供一个能自动校正预估器增益的信号。在理想情况下，当预估器模型与真实对象的动态特性完全一致时，图中除法器的输出是1，所以输出也是1，此时即为史密斯预估补偿控制。在实际情况下，预估器模型往往与真实对象动态特性的增益存在有偏差,图5-8所示的增益自适应补偿控制能起自适应作用。这是因为从补偿原理可知，若广义对象的增益由Kp增大到，则除法器的输出A/B=，假设真实对象其它动态参数不变，此时识别器中微分项TDS不起作用，因而识别器输出也是。这样，乘法器输出变为，可见
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5.1 传递函数的时域辨识
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含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述
【摘要】针对时滞对象的控制问题，着重选取几种控制方法，论述了各种控制方法的原理和优缺点，比较控制性能，以期对含有大时滞的实际对象的控制起到方法上的指导作用。【关键词】纯滞后　Smith预估控制智能控制1　纯滞后问题大家都知道，纯滞后在工业上是一种普通的现象。例如冶金、玻璃、造纸工业中板材厚度的控制、加热炉、炉窖的传热，化工炼油生产中物料的传输，反应器的化学合成等系统都存在纯滞后。在工业过程闭环控制系统控制回路中，若存在纯滞后，闭环特征方程中就存在纯滞后，由于纯迟延的存在使得被调量不能及时反映控制信号的动作，控制信号的作用只有在延迟了以后才能反映到被调量；另一方面，当对象受到干扰而引起被调量改变时，控制器产生的控制作用不能即时对干扰产生抑制作用。因此，含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。纯滞后对象也因此而成为难控的对象。本文针对时滞的控制问题，着重选取常用的几种控制方法，比较控制性能，以期对含有大时滞的实际对象的控制起到方法上的指导作用。2　时滞过程的各种控制方法2.1　PID控制。PID控制是迄今为止最通用的控制算法，大多数反馈回路都采用PID或其改进型来控制。其控制规律为然而，PID在纯滞后系统中的应用是有一定限制的。这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时反馈，因而使得控制问题复杂化了。2.2　Smith预估控制及改进算法。当前，含较大纯滞后的系统大多采用Smith预估及其改进型来控制。Smith预估器控制基本思路是，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t的被调量提前反馈到调节器，使调节器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。Smith控制系统最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外，使控制品质大大提高。但Smith控制仍有缺陷：①对某些干扰信号的适应能力差；②当对象模型参数变化时适应能力差；③对无自衡对象产生稳定偏差。针对Smith控制存在的问题，提出了基于常规Smith预估控制器的各种改进方法，大致可以分为两种：一种是基于结构上的改进，它们结合智能控制的各种方法，即通过在不同位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿；还有就是在参数整定上的改进，它们或者将e-TS项通过泰勒多项式展开，用鲁棒性能指标及其它指标函数对控制器进行解析设计，或者对其中的控制参数进行鲁棒调整，或者对Smith预估系统的反馈传递函数进行改进，以增强它的鲁棒性和稳定性。2.3　Dahlin算法。它是一种计算机控制算法，Dahlin控制器是一种常见的控制器，它有个可在线调整的参数，给实际应用带来了很大的方便。Dahlin控制器设计的出发点是选择一个具有纯滞后的一阶特性作为所需的闭环特性，据此来推导控制器。对具有纯滞后的一阶非周期特性的对象有较好的控制品质。它在很早就被提出，在一定条件下可以和Smith预估器等效，但是Dahlin算法的一个缺点是可能存在着“振铃”现象：且对过程的模型误差仍比较敏感。2.4　神经网络控制。神经网络是多个学科交叉而形成的一个技术领域，它对信息的加工、处理、存储和收索的过程具有很多其它方法没有的特点。它对信息的存储是分布式的；对信息的处理和推理是并行的；对信息的处理还有自组织和自学习的特点，所以可以任意精度逼近非线性函数，可进行在线和离线学习，容错性比较强。它被应用在时滞控制系统中也是因为它可以逼近时滞的动态特性，只需要用一定的输入和输出样本来训练网络就可以了，它不需要复杂的控制结构，也不需要精确的数学模型，因此它简单而有效的特点适合工业的应用。2.5　模糊控制。模糊控制是一种基于专家规则的控制方法，属于智能控制的范畴。在时滞系统中，模糊控制一般是针对误差和误差变化率而进行的，将输入变量的精确值模糊化，根据输入变量和模糊控制规则，按照模糊推理合成规则计算控制量，再将它反模糊化，得到精确输出去控制过程。其中，模糊规则是最重要的，应该根据实际情况来具体制定。模糊算法用在时滞系统中其实是非常适用的，因为时滞系统的难以定量化和不确定性决定了它需要用不确定处理手段。但是，如果用普通的模糊控制器来控制大时滞、大惯性系统，当稳态误差较小时很容易出现振荡。因此如果能结合其它算法来提高它的控制精度，那么将是非常有效的。目前，大致有几种模糊算法在时滞系统中得到应用，如模糊控制器、模糊预估控制方法和模糊自整定方法等。2.6　其它方法。对于时滞过程的控制，除了以上所述的方法外，还有许多其它的方法。如预测控制、自适应控制、鲁棒控制、变结构控制和灰色预测控制等。它们往往是和其它方法加以结合来克服时滞的影响。预测控制与其它方法不同，它是在工业实践过程中逐步发展起来的。到现在已经有几十种预测控制算法相继产生，比较典型的有非参数模型的模型预测启发控制(MPHC)、模型算法控制(MAC)和动态矩阵控制(DMC)等。因为时滞控制系统解决问题的关键是对系统输出的预测，因此。预测控制非常适用于时滞系统，它可以和人工智能等方法结合，或者进行结构上的改进来满足应用的要求。3　几种控制方法的比较经典的PID控制对具有纯滞后的对象，特别是滞后较大的对象，不能得到满意的控制效果，当滞后增大时，甚至有可能出现不稳定的情况。因此，PID只能用于无时滞或时滞时间较短的系统。用于克服滞后影响的传统控制方法Smith预估控制，虽然在较大滞后时仍可以保证稳定的控制，但其调节时间也较长，在要求快速控制的场合不能应用。当对象模型不精确时，Smith控制的超调量大，调节时间长，模型失配较大时，甚至可能不稳定。改进的Smith预估控制较好的解决了上述问题，在实际工程中得到了广泛的应用。Dahlin算法对具有纯滞后的一阶非周期特性的对象有较好的控制品质，但是它的一个缺点是可能存在“振铃”现象，对过程的模型误差比较敏感。工业生产的大规模化使工业过程变得更为复杂，大时滞、不确定性、严重非线性、时变性对工业过程控制系统的设计提出了更高的要求。因此，这需要更高级、更快速、更可靠、更有效的控制方法。针对时滞系统的模型不确定性和干扰的不可知性，智能控制开始进入时滞系统，其中模糊控制和神经网络控制可以发挥很大的作用。但是，对于时滞过程，如何获取有效的控制规则仍然是一难题，自适应控制方法的出现无疑又丰富了时滞系统的控制方法，有很大的优越性。鲁棒控制和变结构控制针对时滞系统的控制在理论上的研究也很成功，但是它们计算复杂，有时会出现找不到解的情况，因此，其应用价值在当前仍然有限。因此，大时滞系统的控制不是单一的方法就可以完善解决的，工业计算机的出现与完善可以很容易地实现各种复杂、高级控制算法，因此，针对大时滞过程的特点，开发与设计出各种智能控制方法或以不同的形式结合在一起，将是解决工业时滞过程的有效途径。就爱阅读 欢迎您转载
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文档介绍：实验三纯滞后控制实验班级：自控091班姓名：康灵涛学号：座机电话号码8实验目的与要求掌握应用达林算法进行纯滞后系统的设计；掌握纯滞后系统消除振铃的方法。实验设备硬件环境微型计算机一台，P4以上各类微机软件平台操作系统：Windows2000、MATLIB6.5仿真软件实验原理在一些工业过程（如化工、加热）控制中，由于物料或能量传输的延迟，许多被控对象具有纯之后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为L的路程才能反映出来。这样，就造成水温变化要滞后一段时间（是蒸汽的速度）。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这一类系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，二用PID控制往往效果也欠佳。本实验采用达林算法进行被控对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有纯滞后的一介惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数，相当于一个惯性环节和一个延时环节相串联，即该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制原理如下图所示，其中，采样周期0.9秒，期望传递函数0.5秒，被控对象；输入信号为单位阶跃信号。纯滞后系统控制原理图应用大林算法进行纯滞后系统设计控制器。实验内容与步骤按照纯滞后控制系统要求设计；按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型，观察输入输出波形，标明参数，打印结果；尝试用M文件实现dalin算法控制。实验设计：图1单位阶跃输入下纯滞后控制系统仿真结构模型图2控制器输出波形图3系统输出波形思考与分析纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？答：纯滞后环节对于阶跃信号是有超调的，因为被控对象中的纯滞后部分仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间，控制系统的过渡过程及其他性能指标都与被控对象没有滞后因子时完全一致，所以是有超调的。纯滞后系统与PID控制有何本质区别？消除振铃前后}