9 纯滞后过程控制
纯滞后控制实验报告
一、实验目的1. 理解纯滞后控制系统的概念及其在工业控制系统中的应用。
2. 掌握大林算法在纯滞后控制系统中的应用原理。
3. 通过实验验证大林算法在纯滞后控制系统中的控制效果。
二、实验原理1. 纯滞后控制系统：纯滞后控制系统是指被控对象具有纯滞后特性，即输入信号到输出信号的传递过程中存在一定的时间延迟。
这种时间延迟会使得控制作用不及时，从而影响系统的稳定性和动态性能。
2. 大林算法：大林算法是一种针对纯滞后控制系统的控制策略，其基本思想是在设计闭环控制系统时，采用一阶惯性环节代替最少拍多项式，并在闭环控制系统中引入与被控对象相同的纯滞后环节，以补偿系统的滞后特性。
三、实验设备1. MATLAB 6.5软件一套2. 个人PC机一台四、实验步骤1. 设计实验模型：根据实验要求，设计一个具有纯滞后特性的被控对象模型，并确定其参数。
2. 构建大林算法控制器：根据大林算法的原理，设计一个大林算法控制器，并确定其参数。
3. 进行仿真实验：在MATLAB软件中搭建实验平台，将设计的被控对象模型和大林算法控制器进行联接，进行仿真实验。
4. 分析实验结果：观察实验过程中系统的动态性能，分析大林算法在纯滞后控制系统中的应用效果。
五、实验结果与分析1. 实验结果（1）无控制策略：在无控制策略的情况下，被控对象的输出信号存在较大的超调和振荡，系统稳定性较差。
（2）大林算法控制：在采用大林算法控制的情况下，被控对象的输出信号超调量明显减小，振荡幅度减小，系统稳定性得到提高。
2. 分析（1）无控制策略：由于被控对象具有纯滞后特性，系统动态性能较差，导致输出信号存在较大超调和振荡。
（2）大林算法控制：大林算法通过引入与被控对象相同的纯滞后环节，有效补偿了系统的滞后特性，使得控制作用更加及时，从而提高了系统的动态性能和稳定性。
六、实验结论1. 纯滞后控制系统在实际工业生产中普遍存在，对系统的稳定性、动态性能和抗干扰能力具有较大影响。
过程控制工程智慧树知到答案章节测试2023年中国石油大学(华东)
第一章测试1.广义对象包括（）。
A:被控对象B:检测元件C:执行器D:控制器答案:ABC2.先进控制有（）。
A:时滞补偿B:故障诊断C:预测控制D:解耦控制答案:ABCD3.过程控制系统中，代替人眼睛的是（）。
A:执行器B:控制器C:检测装置D:被控对象答案:C4.控制系统组成中具有大脑功能的是（）。
A:控制装置B:检测装置C:执行机构D:被控对象答案:A5.控制目标中不需要考虑环保因素。
A:对B:错答案:B6.随动控制系统的设定值是随时间变化的。
A:对B:错答案:A第二章测试1.被控对象的动态特性是描述被控对象输入输出关系动态特征的。
A:错B:对答案:B2.稳态指的是被控量不再随时间变化时，系统处于平衡状态。
A:对B:错答案:A3.误差绝对值积分（IAE）准则可避免正负积分面积相消现象。
A:对B:错答案:A4.灰箱模型是基于过程动态学的机理建模。
A:对B:错答案:B5.调节通道对象特性的T0小对控制系统有利。
A:错B:对答案:B6.比例积分作用为系统增加了一个开环零点，使系统相角超前，增加了稳定性。
A:错B:对答案:B7.调节系统在纯比作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原稳定度，此时应将比例度（）A:减小B:不变C:增大D:先增大后减小答案:C8.对于气动执行机构，当信号压力增加，推杆下移的，称该气动执行机构为A:可调式B:反作用式C:正作用式D:移动式答案:C9.在控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，称为（）A:反馈B:控制器C:被控过程D:设定值答案:C10.下面对过程的控制质量没有影响的是（）A:扰动通道放大倍数B:扰动通道时间常数C:控制通道放大倍数D:扰动通道纯滞后时间答案:D11.过渡过程品质指标中，余差表示（）A:新稳态值与给定值之差B:测量值与给定值之差C:超调量与给定值之差D:调节参数与被调参数之差答案:A12.下列哪个参数不是描述对象特性的参数（）A:tB:TC:KD:τ答案:A13.受控制器的操纵，使被控变量保持在设定值的物理量是（）A:操纵变量B:被控对象C:设定值D:测量值答案:A14.在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程出现的形式如下，（）是一种稳定控制系统A:非振荡发散过程B:衰减振荡过程C:发散振荡过程D:等幅振荡过程答案:B15.以下哪个传递函数可以表示积分环节（）A:TsB:KC:K/(Ts)D:K/(Ts+1)答案:C16.PID参数整定方法有（）A:响应曲线法B:临界比例度法C:继电器型PID自整定法D:经验法答案:ABCD第三章测试1.下列哪种不属于复杂控制系统？A:流量控制系统B:前馈控制系统C:串级控制系统D:解耦控制系统答案:A2.串级控制对所有的干扰都有很强的克服能力A:对B:错答案:B3.串级控制副参数的选择需要注意的问题有（）？A:副参数必须可测B:调节阀与副参数之间具有因果关系C:尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中D:副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小答案:ABCD4.串级控制多用于（）场合？A:用于所有的控制场合；B:用于时滞较大的对象；C:用于对象具有较大的非线性特性，且负荷变化较大；D:用于克服变化剧烈和幅值大的干扰；答案:BCD5.均匀控制有（）两种形式？A:前馈均匀控制B:单回路均匀控制C:串级均匀控制D:比值均匀控制答案:BC6.前馈控制的基本原理是（）？A:可变性原理B:等价原理C:不变性原理D:抗干扰原理答案:C7.动态前馈的效果一定比静态前馈的效果好。
纯滞后控制系统讲解
过程控制实验报告实验名称：纯滞后控制系统班级：姓名：学号：实验五 纯滞后系统一、实验目的1) 通过本实验，掌握纯滞后系统的基本概念和对系统性能的影响。
2) 了解纯滞后系统的常规控制方法和史密斯补偿控制方法。
二、 实验原理在工业生产中，被控对象除了容积延迟外，通常具有不同程度的纯延迟。
这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。
因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。
所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。
一般认为，纯滞后时间与过程的时间常数之比大于0.3时，该过程是大滞后过程。
随此比值增加时，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际的生产过程中甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。
此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。
因此大滞后过程的控制一直备受关注。
前馈控制系统主要特点如下：1) 在纯滞后系统控制中，为了充分发挥PID 的作用，改善滞后问题，主要采用常规PID 的变形形式：微分先行控制和中间微分控制。
微分先行控制和中间微分控制都是为了充分发挥微分作用提出的。
微分的作用是导前，根据变化规律提前求出其变化率，相当于提取信息的变化趋势，所以对滞后系统，充分利用微分作用，可以提前预知变化情况，进行有效的“提前控制”。
微分先行和中间微分反馈方法都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且不需特殊设备。
因此，这两种控制形式都具有一定的实际应用价值。
但是这两种控制方式都仍有较大超调且响应速度很慢，不适于应用在控制精度要求很高的场合。
2) 史密斯补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。
计算机控制技术清华出版社第四章纯滞后控制
（2）施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来
补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器，
其传递函数为
G P ( s，)(τ1为 纯e 滞s )后时间。
图4-23 带施密斯预估器的控制系统
由施密斯预估器和调节器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补
偿器，其传递函数为
D
'
(s)
1
D
0.221z 3
G(z) Z
s
4s 1 1 e1/4 z1 1 0.779z1
(z)
Z
1 eTs
s
e s T s
1
z2 (1 e1/ 2τ )z1 1 e1/ 2 z1
1
0.393z 3 0.607z1
D(z)
(1
e1
(1 e1 2 )(1 e1 4 z1) 4 ) 1 e1 2 z1 (1 e1
u(k ) u(k 1) u(k )
u(k 1) K P e2 (k ) e2 (k 1) K I e2 (k ) K D e2 (k ) 2e2 (k 1) e2 (k 2)
4.4.2 达林(Dahlin)算法
对于具有纯滞后的控制系统，比如热工或化工 过程，由于滞后的存在，容易引起系统超调和持续 震荡。对这些系统的调节，快速性是次要的，而对 稳定性、不产生超调的要求却是主要的。本节介绍 能满足这些性能指标的一种直接设计数字控制器的 方法—达林算法。
U(z) 中含有单位圆内靠近 z = -1 处的极点（称 为振铃极点），且该极点越靠近 z=-1 ，振幅就越 大。
U(z) (z) R(z) G(z)
U (z) u(z)R(z)
u(z)
(z) G(z)
第五章(一) 纯滞后控制技术--达林(DAHLIN)算法(全)
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1
主要内容： 过程纯延迟对控制质量的影响 达林算法 振铃（Ringing）现象及其消除
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2
前言 在控制系统应用中，纯滞后环节往往是影响系统动态 特性的不利因素。工业过程中如钢铁，热工和化工过程中 往往会有纯滞后环节。对这类系统，控制器如果设计不当， 常常会引起系统的超调和持续振荡。 由于纯延迟的存在，使被控量对干扰、控制信号不能 即时的反映。即使调节机构接受控制信号后立即动作，也 要经过纯延时间τ后才到达被控量，使得系统产生较大的 超调量和较长的调节时间。当τ>=0.5T（T为对象的时间常 数）时，实践证明用PID控制很难获得良好的控制品质。
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32
大林算法小结 过程纯延迟对控制质量的影响 达林算法 设计思想 一阶被控对象的达林算法 二阶被控对象的达林算法 达林算法的递推表达式 达林算法的参数整定 振铃（Ringing）现象 产生原因；振铃幅度RA；振铃现象的抑制
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33
31
大林算法的设计步骤 根据系统性能要求，确定期望闭环系统的参数Tτ，给出 振铃幅度RA的指标； 根据振铃幅度RA的要求，确定采样周期T。如果T有多 解，则选择较大的T； 确定整数N=τ/T； 求广义对象的脉冲传递函数及期望闭环系统的脉冲传递 函数； 求数字控制器的脉冲传递函数D(z)； 将D(z)转变为差分方程，以便于编制相应算法程序。
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达林算法
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达林算法
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达林算法
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达林算法
纯滞后控制技术-大林算法
在化工、制药、食品等行业中，许多生产过程都存在时间滞后现象，纯滞后控制技术可用于提高生产效率和产品质量。
工业控制系统
在城市交通管理中，信号灯的控制存在时间滞后，纯滞后控制技术可优化信号灯的控制逻辑，提高道路通行效率。
交通控制系统
纯滞后控制技术的应用场景
简单易行，对模型参数要求不高，适用于多种控制系统。
大林算法适用于具有纯滞后特性的控制系统，能够克服系统中的纯滞后问题，提高控制效果。
适用性
大林算法适用于已知滞后时间和滞后系数的情况，且系统模型相对简单。
适用条件
大林算法在纯滞后控制系统中的适用性
将连续时间系统离散化，将时间轴划分为一系列离散的时间点。
离散化处理
利用已知的输入和输出数据，通过大林算法计算出下一个时刻的输出值，并根据实际输出值进行修正。
通过将控制律应用于系统，可以减小由于纯滞后引起的系统性能下降，从而提高控制系统的稳定性和响应速度。
根据系统的历史数据和动态特性，建立合适的预测模型，用于估计未来的系统状态。
建立预测模型
根据当前状态和预测模型，计算最优的控制输入。
计算控制律
将计算出的控制输入应用于系统，以减小滞后对系统性能的影响。
应用控制输入
大林算法与模糊控制器的比较
总结词：大林算法和神经网络控制器在处理非线性问题方面有各自的特点。
大林算法与神经网络控制器的比较
05
结论与展望
大林算法能够精确地模拟和预测纯滞后控制系统的行为，提高了系统的控制精度。
精确性
稳定性
适用性
大林算法通过适当的参数调整，能够保证纯滞后控制系统的稳定性，提高了系统的可靠性和稳定性。
详细描述
大林算法与PID控制器的比较
纯滞后补偿控制系统..
C ( z )G ( z ) y( z) y sp ( z ) 1 c( z )G ( z )
（8-2）
y( z) 1 d ( z ) 1 C ( z )G ( z )
（8-3）
8
将式(8-1)代入式(8-2)、 式(8-3), 整理后可得闭环系统 的脉冲传递函数为
GIMC ( z )G( z ) y( z) y sp ( z ) 1 GIMC ( z )[G( z ) G( z )]
因此只要使内模控制器的增益等于模型稳态增益的倒数, 即
~ 1 GIMC (1) G (1)
(8-12)
19
e(∞)=0
这表明, 即使在模型失配的情况下, 只要式(8-12)满足,
内模控制仍能对阶跃设定值输入信号跟踪, 且有消除阶跃
干扰的能力。 这似乎说明IMC系统本身具有对偏差进行积 分的作用, 在IMC设计中无需再单独引入积分环节。
对模型误差极为敏感, 系统的鲁棒性差, 甚至会导致系统 不稳定。
22
针对上面的问题, 我们在设计内模控制器时是分两步进行 的: 第一步, 先设计一个稳定的控制器, 以解决上述的问 题①、 ②、 ③; 第二步, 在反馈和输入回路插入反馈滤
波器Gf(z)和输入滤波器Gr(z), 并通过调整Gf(z)和Gr(z)
11
2. 1) 由式(8-4)和(8-5)知, 内模控制系统的闭环特征方程
为
1 GIMC ( z)[G( z) G( z)] 0
1 G( z ) 1 0 GIMC ( z )G( z ) G( z )
（8-8）
即
12
~ 当模型准确时, G( z) G( z) , 闭环特征方程可简化成
含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述
含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述纯滞后系统在现代工业生产过程中是普遍存在的，精确控制难度比较大。
文章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，对各个控制过程的性能进行对比，在方法上能够对大时滞控制系统给予有效的指导。
标签：纯滞后；Smith预估控制；智能控制Abstract：Pure time delay system is common in modern industrial production，and it is difficult to control accurately. In this paper，aiming at the control problem of time-delay plant，several control methods are selected emphatically，the principle，advantages and disadvantages of each control method are discussed，and the performance of each control process is compared. The method can give effective guidance to the control system with large time delay.Keywords：pure lag；Smith predictive control；intelligent control1 纯滞后问题大家都知道，纯滞后在工业上是一种常见的现象。
比如在冶金行业中板材厚度的加工、加热炉的热传导；化工行业中工质的传送以及各个反应器中的生产衔接都普遍存在纯滞后现象，此外还有燃煤电厂的风煤水控制。
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环节，由于纯延迟的存在并没有直接将控制信号作用于被调量，而是在延迟τ之后再动作；此外，当控制系统受到内扰或者外扰作用后，控制器无法有效的抑制，这也进一步影响了控制系统的性能。
含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述
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2.1PID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。
2.2Smith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。
含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述
含有纯滞后系统的几种控制算法的比较与评述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2.1PID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。
2.2Smith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。
09纯滞后过程控制
主要内容
问题引出 Smith 补偿器 改进Smith 补偿器 内模控制的结构 实际内模控制器 内模控制仿真
常规 PID 控制系统
比例积分控制器
R (s)
+_
+
Gc (s) +
D (s) Kpgp (s)
Gp
Y (s)
e-τs
会发生什么 情况？
case1：Gp(s)110s.01e10s; case2： Gp(s)110s.01e4s;
实际内模控制器
根据以上的结论，我们来设计实际的内模控制器。 首先将内部模型分为静态部分和动态部分：
Kc Km1
gc gm(s)1
用计算机很容 易实现！
如何实现近似？
控制器动态
近似为模型动 态的逆！
实际内模控制器
将模型的动态部分进行因式分解：
gm(s)gm (s)gm (s)
Smith预估补偿原理
D (s)
R (s)
＋
＋
G c(s) ＋
Y '( s )
kpg p(s)
e ps
Y (s)
－
R (s)
+-
D (s)
G c(s)
U (s) + +
kpgp(s)eps
Y (s)
+
G s(s)
+
Y '( s )
关键是内部 模型！
Smith预估补偿原理
D (s)
R (s)
Gm(s)
Ym (s)
+
_
内部模型 Gf (s)
De (s)
滤波器
作业
1.给下列系统设计一个纯滞后补偿器（史密斯补偿 器）
高等过程控制—第5章纯滞后
（1） 微分先行控制方案：微分作用串联在反馈回路上
TD s 1 T1s 1
减小超调量， 改善动态性能
（2）中间反馈控制方案
微分作用是独立的， 能在被控制量变化时 及时根据其变化的速 度大小起附加校正作 用，微分校正作用与 PI调节器的输出信号 无关，只在动态时起 作用，而在静态时或 在被控制量变化速度 恒定时就失去作用。
两个调节器均采用PI调节器
y (t ) y(t )
扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了 一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质 量。
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响
4．多个扰动对控制质量的影响
扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。
第五章
纯滞后补偿控制系统
第一节、对象特性对控制质量的影响 第二节、补偿纯迟延的常规控制 第三 节、预估补偿控制
第一节 对象特性对控制质量的影响
干扰作用 控制作用
干扰通道
W0μ （s）
热工对象
W0λ （s） 被调量
控制通道
控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态 偏差y（）或e（）、控制时间ts等 。 描述对象特性的特征参数是放大系数K 、时间常数Tc（T）、 迟延时间τ（n） 。
' -s (s)e Y ( s ) WT (s)W 0 将W f ( s)代入，得： 1 ' -s R( s) WT (s)W 0 (s)e
如果Wf(s)完全满足条件，系统可完全跟踪设 定值，而且对干扰f(s)还可以无差地进行补偿。 只是Wf(s)完全实现不是很容易的，尤其在对象用 高阶微分方程来描述时更是如此。
纯滞后对象的控制算法
(1 eT /T )(1 eT /T1 z 1 )(1 eT /T2 z 1 ) u ( z ) C2 1 T /T1 1 K C1 (1 e z )(1 z ) C1
有两个极点
(4.104)
z1 e
T / T
C2 z2 C1
Ke s G p ( s) , T1s 1
NT
如果可以用带滞后的二阶惯性环节来近似描述，即
Ke s G p ( s) , (T1s 1)(T2 s 1)
NT
其中：K ——放大系数 ；τ——纯滞后时间 T1,T2 ——惯性时间常数
（2）大林算法介绍
不论是对一阶惯性对象还是对二阶惯性对象，大林算法 的设计目标都是：使闭环传递函数Φ(s)相当于一个纯滞后环节 和一个惯性环节的串联。
适用范围：被控对象具有大的纯滞后特性
对于具有较大纯滞后特性的控制对象，如果要求系统无 超调量或超调量很小，并且允许有较长的调节时间，则大林 算法的控制效果往往比PID等控制算法具有更好的效果。
(1) 被控对象的描述
一般具有纯滞后特性的被控对象可以用带纯滞后的一阶或二 阶系统来描述。
被控对象如果可以用带有纯滞后环节e-τs的一阶来近似，则 其传递函数为：
1 C1 1 (T1e T /T1 T2 e T /T2 ) T2 T1 C eT (1/T1 1/T2 ) 1 (T e T /T2 T e T /T1 ) 1 2 2 T2 T1
(4.98)
③ 闭环传递函数的离散化
前面已介绍过，大林算法的目的，是使闭环传函成为一个具有 纯滞后特性的一阶环惯性环节
所谓振铃(Ringing)现象，是指数字控制器的输出以二分 之一采样频率大幅度衰减的振荡。 振铃现象中的振荡是衰减的。 由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系 统的输出影响较小。但是振铃现象却会增加执行机构的磨损， 在有交互作用的多参数控制系统中，振铃现象还有可能影响到 系统的稳定性。 振铃现象与最小拍系统的纹波是不一样的——纹波是指输出在 采样点上误差，而在采样点之间是有偏差的，输出有纹波。
纯滞后补偿控制系统
, 反馈量~也由y(z)变
G(z)
为扰动的估计量
, 如果模型正确~, 即
,
则~
, 因此反馈~信息
d中(只z)含有不可测扰动~d(z)
的信G息(。z) G(z)
d (z) d(z)
d (z)
5
精品资料
图 8-2 内模控制系统(kònɡ zhì xì tǒnɡ)
6
精品资料
将内模控制系统的结构稍做变化(biànhuà), 图8-2 中虚线方框包含 的部分即是简单反馈中的控制器C(z)的等价结构,
f (z)G(z)
~
1
f
(
z1)G~1f((zz))[GG((zz))
~ G(
z
)]
d
(
z)
（8-19）
29
精品资料
~ 从式(8-19)可知, 因为 f (1)G (1) ,1 所以对阶跃形式
的给定值输入ysp或扰动(rǎodòng)d, y(∞)=ysp(∞)
实现静态无差。
330
精品资料
2) 反在馈模通型道匹和配前时置,通道滤G~波(器z)设计G, (由z式) (8-18), 有
Gh0 (s) (1 eTss ) 以s 后, 对象模型
ym (z) u(z)
z[Gh0 (s)G~(s)]
1 e Tss z[
s
3.5e3s ] 10s 1
z (N1) 3.5(1 )
（8-22）
1 z 1
其中, 常数
为纯滞后时间对采样
时间的倍数。 取采样时间Ts=0.3 s, 则α=0.970, N=10。
y(z)
1
f
(
zf)(G~z)1G~(z1)([Gz)(Gz()z)
纯滞后控制实验
纯滞后控制实验实验三纯滞后控制实验1. 实验⽬的与要求(1) 掌握应⽤达林算法进⾏纯滞后系统D(z)的设计；(2) 掌握纯滞后系统消除振铃的⽅法。
2. 实验设备(1) 硬件环境微型计算机⼀台，P4以上各类微机(2) 软件平台操作系统：Windows 2000以上；仿真软件⼯具：MATLIB5.3以上。
3. 实验原理在⼀些⼯业过程（如热⼯、化⼯）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。
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，就造成⽔温的变化要滞后⼀段时间τ（v v L ,=τ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，对于这⼀系统，采⽤⼀般的随动系统设计⽅法是不⾏的，⽽⽤PID 控制往往效果也⽋佳。
本实验采⽤达林算法进⾏被控制对象具有纯滞后系统设计。
设被控对象为带有纯滞后的⼀阶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Φ(s)，相当于⼀个延时环节和⼀个惯性环节相串联，即1)(+=Φ-s e s sτθ，NT =θ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。
控制原理如图1，其中：采样周期T=0.9秒，期望传递函数τ=0.5秒，被控对象123)(8.1+=-s e s G s；输⼊信号为单位阶跃信号。
图1 纯滞后系统控制原理图应⽤达林算法进⾏纯滞后系统设计)D控制器。
(z4.实验内容与步骤(1)按照纯滞后控制系统要求设计)D；(z(2)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；(3)尝试⽤M⽂件实现dalin算法控制。
5.实验结果simulink框图（⽤simulink实现dalin算法）: Array图2 纯滞后控制设计图3：纯滞后控制器输出结果图4 纯滞后控制系统输出结果6.思考与分析(1)纯滞后控制系统对阶跃信号有⽆超调？为什么？答：纯滞后控制系统对阶跃信号有超调，因为由纯滞后系统输出特性可知，图形在y(t)=1(t)上、下摆动，最后趋于稳定，⽽超调量是描述系统相对稳定性的⼀个动态指标，所以对阶跃信号有超调。
第9章纯滞后系统
章
纯 【例9-1】钢带压制过程中的钢带厚度控制
滞
(具体内容请参阅教材)
后
可见，如果调节时间按时间常数的3倍计算，则调节时间约为25.15×3＝75.45秒。也
系 就是说，在扰动产生钢带厚度不均匀后75.45秒，才被检测装置检测出来用作钢带厚度的控制
统
信号。显然，这样的控制已完全错过了真正产生厚度不均匀的时刻。 控制信号的给出与相应产生偏差的动作不合拍，这样很容易产生控制过程中钢带厚
系
统 (具体内容请参阅教材)
过 程 控 制 系 统 仿 真
25
第 9
9.3 综合仿真实例
章
9.3.6参数摄动对系统影响仿真
纯 滞
【例9-12】微分先行控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-6）微分先行控制系统鲁棒 性分析。在图9.35中仅考虑有随机干扰部分中延时时间常数变化±10%，分析系统鲁棒性。
9
第 9
9.2 纯滞后系统的设计
章
9.2.2 史密斯补偿控制
纯
滞
【例9-4】史密斯预估器在纯滞后矿仓料位控制中的应用 在钢铁行业的烧结厂中，混合料仓料位参数的准确控制是平衡和稳定烧结生产的重要手
后 段。矿仓料位系统的工艺流程如图9.9 所示。
系
统
过 程 控 制 系 统 仿 真
(具体内容请参阅教材)
系统成功地解决了这一问题。
制
系
统
仿
真
11
第 9
9.2 纯滞后系统的设计
章
9.2.2 史密斯补偿控制
纯
滞
后
系
统
过 程 控 制 系 统 仿 真
图9.11表明料位波动都在3 %以内。所以，采用了史密斯预估补偿控制策略后，预估器能 够有效地克服纯滞后和外因扰动而引起的料位波动，该系统和常规的PID 控制相比具有控 制品质高，鲁棒性好和抗干扰能力强等优点。
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Smith预估补偿原理
D( s)
R( s )
＋ － ＋
Gc (s)
＋
k p g p ( s)
Y '( s )
e
p s
Y ( s)
D( s)
R( s )
+
-
Gc (s)
Y '( s )
U ( s) + +
k p g p (s)e
Gs (s)
p s
Y ( s) 关键是内部
模型！ + +
Smith预估补偿原理
D( s)
R( s )
+
-
Gc (s)
Y '( s )
U ( s) + +
k p g p (s)e
Gs (s)
p s
Y ( s)
+ +
p s Gc ( s) k g ( s ) e G ( s ) k p g p ( s )Gc ( s ) p p s Y '( s) p s R( s) 1 k p g p ( s)e Gs ( s) Gc ( s) 1 k p g p ( s)Gc ( s)
k p g p (s) k p g p (s)e
p s
Gs (s)
Gs ( s) k p g p ( s) 1 e
p s
Smith预估补偿器
p s Gs ( s) k p g p ( s) 1 e
D( s)
R( s )
+
-
Gc (s)
与 D( s)
并接一个补偿环节，用来补偿对象中的纯滞后部分，其 传递函数为
Go ( s)( 1 e s )
由史密斯预估器和控制器 D (s) 组成的补偿回路称为纯滞 后补偿器，其传递函数为
D( s ) D( s) 1 D( s)Go ( s)(1 e s )
经补偿后的系统闭环传递函数为
常规PID控制仿真
1.0 10 s e case1：G p ( s ) 10 s 1 1.0 4 s e case2：G p ( s ) 10 s 1
怎么办？
纯滞后补偿控制系统
纯滞后是工业生产过程中经常需要考虑和面对的问题。 附加纯滞后特性后，会使广义对象的可控程度明显降低。 当广义对象的纯滞后时间与其时间常数之比超过0.5时， 被称为大纯滞后过程，其难控程度随着滞后时间与整个动态 过程时间之比的增加而增加。 克服大纯滞后的方法 史密斯预估补偿控制
U (s)
+ +
K p g p ( s )e
p s
Y ( s)
改进Smith预估器
G f ( s) 1 Tf s 1
K m g m ( s)
Gf(s)
K m g m ( s )e m s
_
+
模 型 有 偏 差
改进的Smith预估控制器
D( s)
R( s )
+ 理想Smith预估器
-
Gc (s)
Y '( s )
U ( s) +
+
k p g p ( s)e
p s
Y ( s)
k p g p ( s) 1 e
D ( s)
p s
+
+
R (s)
+ _
Gc(s)
+ +
（s）
D ( s)Go ( s)e s 1 D ( s)Go ( s)e s
D( s)Go ( s) s e 1 D( s)Go ( s)
应用前提是要知道被控过程精确的数学模型，并且这种方 法对模型的误差十分敏感。
Smith预估控制器
D( s)
R( s )
＋ －
＋
Y '( s )
U ( s) + +
k p g p (s)e
p s
Y ( s)
+ +
k p g p ( s) 1 e
p s
Smith预估控制器
PID控制器
D( s)
+ +
R( s ) + Y '( s ) +
+
Gc (s)
+
-
U ( s)
k p g p (s)e
p s
Gc (s)
＋
k p g p ( s)
Y '( s )
e
p s
Y ( s)
D( s)
R( s )＋ －＋Gc (s)
＋
k p g p ( s)
Y '( s )
e
p s
Y ( s)
k p g p (s)Gc (s) Y '( s) R(s) 1 k p g p (s)Gc (s)
k p g p (s) Y '( s) D(s) 1 k p g p (s)Gc (s)
纯滞后过程控制
主要内容
问题引出 Smith 补偿器 改进Smith 补偿器
常规 PID 控制系统
比例积分控制器
R (s)
+ _
+
D (s) Kpgp (s)
Gp
Y (s)
Gc (s)
+
e-τs
会发生什么 情况？
1.0 10 s case1：G p ( s ) e ; 10 s 1 1.0 4 s e ; case2： G p ( s ) 10 s 1
自适应史密斯预估补偿控制 观测补偿器控制、 采样控制、 内部模型控制(IMC) 达林算法
史密斯（Smith）预估补偿控制法
史密斯预估补偿控制法是一种基于模型的补偿方法，可 用于改善大纯滞后系统的控制品质，其思路是按照过程特性 预估出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态 特性。
史密斯预估补偿控制的原理是：
Y ( s)
e
p s
k p g p ( s)
单回路与Smith控制的对比仿真
e
10 s
10 s
e
仿真：模型一致的情况
Kc= 1.1 Ti = 20 Kc= 10 Ti = 1
单 回 路 PID
Smith 预 估
对比仿真（续）
e
8 s
10 s
e
仿真：模型不一致的情况
模 型 无 偏 差