热工系统纯迟延过程的控制策略研究
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自适应控制由于具有对时变参数的良好的适应能力，因而在时变时滞系统中得到了广泛应用。现已提出的方法包括：模型参考自适应控制、自适应预估最优控制、极点配置最优预报自校正PID控制器、大时滞系统的自抗扰控制、时滞并联自适应控制、零极点配置的自校正内模控、动态矩阵控制等等。
自适应控制虽然有良好的控制效果，但是它也存在一定的缺陷，即它要求将对象描述为某些特定的数学模型类，自适应控制器的设计取决于这个数学模型，而实际上许多过程的数学模型难以获得，即所谓灰色系统，使自适应控制的应用受到限制。
(1)对大多数实际过程而言，被控对象在整个被控过程中不可能保持定常。对于这一系统，采用自适应控制可以获得较好的控制效果。基本思路是：依据自适应控制的“确定性等价原理”和“分离设计原则”，时变系统的控制器设计可以分为两步进行，首先假定被控对象的参数已知且定常，按给定的性能指标设计出相应的控制器，然后利用参数辨识在线估计出被控对象的参数值，并以参数估计值代替控制器中所用的真值对系统进行控制[3]。
(2)智能控制方法是随着智能控制理论和技术的飞速发展而发展起来的。许多学者将模糊控制和神经网络控制技术应用于大时滞控制系统中。模糊控制的优点是不需要被控对象的精确数学模型，而且具有很强的鲁棒性，因而非常适合于不确定系统。神经网络控制则具有自学习自适应以及很强的非线性表达能力。对于不确定的非线性时变系统非常适用。专家系统为解决复杂的不确定性对象的控制提供了另外一条途径，它以控制专家的经验和知识弥补了对象数学模型的缺陷。智能控制方法虽然克服了Smith预估器和自适应控制的缺陷，但是它们本身也是不完美的。模糊控制的显著缺点是控制精度不高，自适应能力有限，存在稳态误差，可能引起振荡。神经网络的缺点是学习和训练比较费时，对训练集的要求也很高。专家控制则过度依赖专家的经验，缺乏自学习能力，控制精度不高，且同样存在稳态误差。鉴于上述原因，只能控制方法经常相互融合或者和Smith预估器以及自适应控制相结合，这也正是时变大时滞系统控制方法目前的研究方向。现已提出的方法包括：神经元自适应PID控制，自调谐模糊控制器，专家控制与PID控制结合的递阶智能控制器，基于模糊神经网络的预测控制，变结构模糊控制器，基于模糊预测的间歇PID控制，给予模糊逻辑的Smith预估器，基于神经网络的非线性Smith预估器，专家Smith预估器等等。
1.2
Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是：预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的系统的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，提高系统的快速性。理论上分析，Smith预估器可以完全消除时滞的影响，从而成为一种对线性、时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案[2]。
Keywords:Time delay;Process control;ouble-controller;Robuststability
第1章 迟延系统概述
1.1
迟延系统是指作用在系统上的输入信号或控制信号与其作用系统所产生的输出信号之间存在着时间延迟的一类控制系统。在化工、炼油、冶金、玻璃等一些复杂的工业工程当中，被控对象除了容积迟延外，往往不同程度的存在纯迟延。例如，在热交换器中，被调量是被加热物料的出口温度，被控量是载热物质，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的影响必然要延迟一个时间，即介质经管道所需的时间。此外，如反应器、管道混合；皮带传送、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较大的纯迟延。在这些过程中，由于纯迟延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯迟延时间τ以后，才波及被调量，使之受到控制[1]。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量，使控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大困难。所以具有纯迟延的过程被公认为是较难控制的过程，其难控程度将随着纯迟延时间τ占整个过程动态的分额的增加而增加。一般认为纯迟延时间τ与过程的时间常数T比大于0.3，则说该过程是具有大迟延的工艺过程。当τ/T增加时，相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时会因超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危机设备及人身安全。因此，大迟延系统一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一，对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。
在Smith预估器的基础上，许多学者提出了扩展型的或者改进型的方案，这些方案包括：多变量Smith预估控制、非线形系统的Smith预估器、改进的Smith预估器。这些方法都对系统数学模型有很大依赖程度。
自从1975年Smith首次提出针对时滞系统的预估控制方法以来，许多学者在这一领域进行了广泛而深入的研究，相继提出了许多行之有效的控制方法。根据对传统数学模型的依赖程度的不同，这些方法大致可分为自适应控制和智能控制两大类。
第2章 基础理论和基本工具的介绍
本次设计中主要涉及到的基础知识包括参数整定、基本控制理论、鲁棒性概述及Simulink仿真。
2.1
所谓的参数整定，就是配合对象特性合理地选择调节器各参数，以得到最佳的控制质量。在工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实Hale Waihona Puke Baidu总结出来的。下面简介几种最常用的整定方法。
关键词：时滞；过程控制；双控制器；鲁棒稳定性
ABSTRACT
Industrial production process of most of the controlled object have larger pure time-delay properties. The controlled object of this pure time-delay properties often cause overshoot and continuous oscillations. In the 1950 s, Foreign industrial production process to pure lag phenomenon of further research, Smith puts forward a kind of pure lag compensation model, It was not realize this kind of compensation analog meter, cause this method in industrial practice can not be achieved. Along with the rapid development of computer technology, now people can use computer realized pure lag compensation. These systems because energy or material in the medium transmission, that is accused of inertia parameters, can't respond to disturbance quantity or control the quantity change. In the used in some delay large objects,also likely reduced stability of the closed-loop system, dynamic process becomes poor, control quality deterioration of the phenomenon. So, large inertia of pure delay in traditional process control field is recognized as control problem. According to industrial process in the widespread of large delay process, This process will produce more apparent overshoot, the stability of the control system becomes poor,adjust prolonged,this paper describes the double closed loop controller and advanced control strategy. The specific double controller design scheme, The two controller design for the proportion with integral (PI) type,give a specific parameters setting method. The scheme contains two separate controller, That is tracking controller, and disturbance controller,make with the disturbance response to set value response separation,thus, can also gain good set data tracking performance and the anti-interference ability,and the system robustness than existing control scheme greatly increase,is further evidence that the performance of the double controller is superior.
毕业设计说明书(论文)
作者：张继超学号：0807240636
学院：自动化工程学院班级：自动086
专业： 自动化□测控技术与仪器
所在系： 控制科学与工程□仪器科学与技术
题目：热工系统纯迟延过程的控制策略研究
指导者：顾大可 副教授 签字：
评阅者：
2012年6月吉林
摘 要
工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。这些系统由于能量或物料在介质中的传输，使被控参数惯性大，不能及时反映扰动量或控制量的变化。在应用于某些时滞大的对象时，还可能出现系统闭环稳定性降低、动态过程变差、调节品质恶化的现象。所以，大惯性的纯迟延过程在传统控制领域是公认的控制难题。针对工业过程中广泛存在的大时滞过程，这样的过程必然会产生较明显的超调量，使控制系统的稳定性变差，调节时间延长，本文叙述了双闭环控制器和先进的控制策略。文中具体研究了双控制器设计方案，文中将两个控制器设计为比例加积分(PI)类型，给出了具体的参数整定方法。该方案含两个独立的控制器，即跟踪控制器和扰动控制器，使设定值响应得以与扰动响应分离，从而可同时获得良好的设定值跟踪性能和抗干扰能力，同时系统的鲁棒性也比现有控制方案大为增加，进一步显示了双控制器优越的性能。
上述控制方法各具特色，也都有相当不错的控制性能，但它们并不一定是最优的，而且各自具有不同的复杂程度，对于大时滞时变系统，有些算法可能会导致不稳定。目前，许多新型的自适应控制方法和智能控制方法仍然处于理论研究和仿真研究阶段，用于实际过程控制的不多。目前，对大迟延工业过程的控制仍然以传统的Smith预估器和PID控制为主。
自适应控制虽然有良好的控制效果，但是它也存在一定的缺陷，即它要求将对象描述为某些特定的数学模型类，自适应控制器的设计取决于这个数学模型，而实际上许多过程的数学模型难以获得，即所谓灰色系统，使自适应控制的应用受到限制。
(1)对大多数实际过程而言，被控对象在整个被控过程中不可能保持定常。对于这一系统，采用自适应控制可以获得较好的控制效果。基本思路是：依据自适应控制的“确定性等价原理”和“分离设计原则”，时变系统的控制器设计可以分为两步进行，首先假定被控对象的参数已知且定常，按给定的性能指标设计出相应的控制器，然后利用参数辨识在线估计出被控对象的参数值，并以参数估计值代替控制器中所用的真值对系统进行控制[3]。
(2)智能控制方法是随着智能控制理论和技术的飞速发展而发展起来的。许多学者将模糊控制和神经网络控制技术应用于大时滞控制系统中。模糊控制的优点是不需要被控对象的精确数学模型，而且具有很强的鲁棒性，因而非常适合于不确定系统。神经网络控制则具有自学习自适应以及很强的非线性表达能力。对于不确定的非线性时变系统非常适用。专家系统为解决复杂的不确定性对象的控制提供了另外一条途径，它以控制专家的经验和知识弥补了对象数学模型的缺陷。智能控制方法虽然克服了Smith预估器和自适应控制的缺陷，但是它们本身也是不完美的。模糊控制的显著缺点是控制精度不高，自适应能力有限，存在稳态误差，可能引起振荡。神经网络的缺点是学习和训练比较费时，对训练集的要求也很高。专家控制则过度依赖专家的经验，缺乏自学习能力，控制精度不高，且同样存在稳态误差。鉴于上述原因，只能控制方法经常相互融合或者和Smith预估器以及自适应控制相结合，这也正是时变大时滞系统控制方法目前的研究方向。现已提出的方法包括：神经元自适应PID控制，自调谐模糊控制器，专家控制与PID控制结合的递阶智能控制器，基于模糊神经网络的预测控制，变结构模糊控制器，基于模糊预测的间歇PID控制，给予模糊逻辑的Smith预估器，基于神经网络的非线性Smith预估器，专家Smith预估器等等。
1.2
Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是：预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的系统的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，提高系统的快速性。理论上分析，Smith预估器可以完全消除时滞的影响，从而成为一种对线性、时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案[2]。
Keywords:Time delay;Process control;ouble-controller;Robuststability
第1章 迟延系统概述
1.1
迟延系统是指作用在系统上的输入信号或控制信号与其作用系统所产生的输出信号之间存在着时间延迟的一类控制系统。在化工、炼油、冶金、玻璃等一些复杂的工业工程当中，被控对象除了容积迟延外，往往不同程度的存在纯迟延。例如，在热交换器中，被调量是被加热物料的出口温度，被控量是载热物质，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的影响必然要延迟一个时间，即介质经管道所需的时间。此外，如反应器、管道混合；皮带传送、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较大的纯迟延。在这些过程中，由于纯迟延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯迟延时间τ以后，才波及被调量，使之受到控制[1]。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量，使控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大困难。所以具有纯迟延的过程被公认为是较难控制的过程，其难控程度将随着纯迟延时间τ占整个过程动态的分额的增加而增加。一般认为纯迟延时间τ与过程的时间常数T比大于0.3，则说该过程是具有大迟延的工艺过程。当τ/T增加时，相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时会因超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危机设备及人身安全。因此，大迟延系统一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一，对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。
在Smith预估器的基础上，许多学者提出了扩展型的或者改进型的方案，这些方案包括：多变量Smith预估控制、非线形系统的Smith预估器、改进的Smith预估器。这些方法都对系统数学模型有很大依赖程度。
自从1975年Smith首次提出针对时滞系统的预估控制方法以来，许多学者在这一领域进行了广泛而深入的研究，相继提出了许多行之有效的控制方法。根据对传统数学模型的依赖程度的不同，这些方法大致可分为自适应控制和智能控制两大类。
第2章 基础理论和基本工具的介绍
本次设计中主要涉及到的基础知识包括参数整定、基本控制理论、鲁棒性概述及Simulink仿真。
2.1
所谓的参数整定，就是配合对象特性合理地选择调节器各参数，以得到最佳的控制质量。在工程实际中，常采用工程整定法，它们是在理论基础上通过实Hale Waihona Puke Baidu总结出来的。下面简介几种最常用的整定方法。
关键词：时滞；过程控制；双控制器；鲁棒稳定性
ABSTRACT
Industrial production process of most of the controlled object have larger pure time-delay properties. The controlled object of this pure time-delay properties often cause overshoot and continuous oscillations. In the 1950 s, Foreign industrial production process to pure lag phenomenon of further research, Smith puts forward a kind of pure lag compensation model, It was not realize this kind of compensation analog meter, cause this method in industrial practice can not be achieved. Along with the rapid development of computer technology, now people can use computer realized pure lag compensation. These systems because energy or material in the medium transmission, that is accused of inertia parameters, can't respond to disturbance quantity or control the quantity change. In the used in some delay large objects,also likely reduced stability of the closed-loop system, dynamic process becomes poor, control quality deterioration of the phenomenon. So, large inertia of pure delay in traditional process control field is recognized as control problem. According to industrial process in the widespread of large delay process, This process will produce more apparent overshoot, the stability of the control system becomes poor,adjust prolonged,this paper describes the double closed loop controller and advanced control strategy. The specific double controller design scheme, The two controller design for the proportion with integral (PI) type,give a specific parameters setting method. The scheme contains two separate controller, That is tracking controller, and disturbance controller,make with the disturbance response to set value response separation,thus, can also gain good set data tracking performance and the anti-interference ability,and the system robustness than existing control scheme greatly increase,is further evidence that the performance of the double controller is superior.
毕业设计说明书(论文)
作者：张继超学号：0807240636
学院：自动化工程学院班级：自动086
专业： 自动化□测控技术与仪器
所在系： 控制科学与工程□仪器科学与技术
题目：热工系统纯迟延过程的控制策略研究
指导者：顾大可 副教授 签字：
评阅者：
2012年6月吉林
摘 要
工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。这些系统由于能量或物料在介质中的传输，使被控参数惯性大，不能及时反映扰动量或控制量的变化。在应用于某些时滞大的对象时，还可能出现系统闭环稳定性降低、动态过程变差、调节品质恶化的现象。所以，大惯性的纯迟延过程在传统控制领域是公认的控制难题。针对工业过程中广泛存在的大时滞过程，这样的过程必然会产生较明显的超调量，使控制系统的稳定性变差，调节时间延长，本文叙述了双闭环控制器和先进的控制策略。文中具体研究了双控制器设计方案，文中将两个控制器设计为比例加积分(PI)类型，给出了具体的参数整定方法。该方案含两个独立的控制器，即跟踪控制器和扰动控制器，使设定值响应得以与扰动响应分离，从而可同时获得良好的设定值跟踪性能和抗干扰能力，同时系统的鲁棒性也比现有控制方案大为增加，进一步显示了双控制器优越的性能。
上述控制方法各具特色，也都有相当不错的控制性能，但它们并不一定是最优的，而且各自具有不同的复杂程度，对于大时滞时变系统，有些算法可能会导致不稳定。目前，许多新型的自适应控制方法和智能控制方法仍然处于理论研究和仿真研究阶段，用于实际过程控制的不多。目前，对大迟延工业过程的控制仍然以传统的Smith预估器和PID控制为主。