第三章 内模控制技术 第一节 纯滞后特性对控制系统的影响
滞后控制系统设计
课程设计任务书摘要在工业过程中，大滞后系统普遍存在。
论文以一实验用加热装置为研究对象，针对该温度控制系统具有大滞后特点，采用Smith 预估控制器的控制方案。
理论分析该种控制系统与单回路PID 控制相比，具有更优的动态特性。
关键词：大纯滞后； PID；smith 预估目录引言 (1)第1章课程设计基本资料 (2)1.1软硬件平台 (2)1.2控制方案 (2)1.3流程： (3)第2章内胆加循环水单环定值控制 (4)第3章纯滞后常规PID控制 (5)第4章Smith预估补偿控制 (7)4．1 Smith预估补偿器原理 (7)4.2对象特性测试 (9)4.3实验步骤： (12)第5章总结 (13)参考文献 (14)引言在工业生产过程中，经常由于物料、能量的传输带来时间延迟的问题，即被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及时反映系统所承受的扰动。
即使测量信号能到达控制器,执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时间，才能影响到被控制量，使之受到控制。
这样的过程必然会产生较大的超调量和较长的调节时间，使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。
当τ/T 增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。
我们通常将纯滞后时间与过程的时间常数TP 之比大于0.3的过程认为是具有大滞后的过程[1]。
传统的PID 控制一般不能解决过程控制上的大滞后问题，因此具有大滞后的过程控制被认为是较难的控制问题，成为过程控制研究的热点。
锅炉的炉温控制问题是一个典型的时间滞后问题。
第1章课程设计基本资料1．1软硬件平台沈阳理工大学信息科学与工程学院购置的“THJ-3型西门子PLC过程控制系统”是由实验控制对象、实验控制柜及上位监控PC机三部分组成。
它是本公司根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。
高等过程控制—第5章纯滞后
可以推导出系统的闭环传递函数为：
WT ( s )W0( s )e s Y ( s) R( s ) 1 WT ( s )W0( s )e s WT ( s )W0( s )(1 e s )
' -s WT (s)W (s)e -s 0 W (s)e 1 ' 1 WT (s)W (s) 0
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（一）放大系数Ko对控制质量的影响 控制通道的放大系数KP· Ko 是一种互补关系，如果KP保 持不变，Ko增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的 动、静态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长 。
二、控制通道的特征参数对控制质量的影响
（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响 （1）n阶惯性对象对控制质量的影响 讨论时间常数T和阶次n 控制通道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率 将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数， 能提高控制系统的控制质量。 惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使 控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。
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） 。
（1） 微分先行控制方案：微分作用串联在反馈回路上
第三章 内模控制技术 第一节 纯滞后特性对控制系统的影响
设 D(s) 0 时
Y (s) R(s)
Gˆ p
(s)
f
(s)
表明：滤波器 f (s) 与闭环性能有非常直接的关系。
滤波器中的时间常数 Tf 是个可调整的参数。时间 常数越小，Y (s) 对 R(s)的跟踪滞后越小。
事实上，滤波器在内模控制中还有另一重要作 用，即利用它可以调整系统的鲁棒性。其规律 是，时间常数 Tf 越大，系统鲁棒性越好。
又因为 D (s) 0 ，则 Dˆ (s) 0
表明控制器是Y (s) 跟踪 R(s) 变化的 理想控制器。
1 Y (s) GIMC(s)Gp (s)R(s) Gˆ p (s) Gp (s)R (s) R(s)
Y (s) GIMC(s)Gp (s)R (s) [1 GIMC(s)Gp (s)]D (s) 当模型没有误差，且没有外界扰动时
f (s) 1
Gˆ p (s) Gˆp (s)
得： Gc (s) | s0
Gc
(s)
1
GIMC ( s ) GIM（ C s)Gˆ p
(s)
可以看到控制器 Gc (s) 的 零频增益为无穷大。因此 可以消除由外界阶跃扰动 引起的余差。这表明尽管 内模控制器 GIMC(s) 本身 没有积分功能，但由内模 控制的结构保证了整个内 模控制可以消除余差。
3.零稳态偏差特性
I型系统（模型存在偏差，闭环系统稳定，只要设
计控制器满足
GIMC(0) Gˆ即p1(控0) 制器的稳态增益等于
模型稳态增益的倒数。）对于阶跃输入和常值干扰均
不存在稳态误差。
II型系统（模型存在偏差，闭环系统稳定，只要设
第3章 控制对象的特性
C）容量系数C对控制对象时间常数的影响： 容量系数C对控制对象时间常数的影响： 若有两个单容水柜，底面积分别为A 若有两个单容水柜，底面积分别为 1和A2， 且 A2 > A 1 。 所以T 因为 T1=A1×R，T2=A2×R，所以T2>T1。 t=0： 当t=0：
dh(t) dt
=
K *∆µ T
第三章 控制对象的特性
（1）何谓控制对象的特性？ 何谓控制对象的特性？ 是指对象在受到干扰作用或调节作用 被控参数是如何变化的， 后，被控参数是如何变化的，变化的快慢 及最终变化的数值。 及最终变化的数值。 何谓控制对象的输入、输出量？ （2）何谓控制对象的输入、输出量？ 干扰作用和调节作用为对象的输入量； 干扰作用和调节作用为对象的输入量； 被控参数为对象的输出量。 被控参数为对象的输出量。 干扰作用 被控参数 干扰通道 调节作用 被控参数 调节通道
（3）求取容量滞后时间τc的方法：
对系统过渡过程的影响： （4） τc对系统过渡过程的影响： 稳定性 动态偏 调节时间 三、滞后时间τ： 滞后时间τ
滞后时间τ= 纯滞后时间τ 滞后时间τ= 纯滞后时间τ0+容量滞后时 间τc 总之： 总之： 单容控制对象的特性参数为 K、T、τ0 多容控制对象的特性参数为 K、T、τ
（3）单容控制对象：只有一个储蓄容积的 单容控制对象： 控制对象 控制对象。 控制对象。其动态特性可用一阶微分方程式 表示。 表示。 多容控制对象 控制对象： 多容控制对象：有两个或两个以上 储蓄容积的控制对象。 储蓄容积的控制对象。其动态特性需用二阶 或二阶以上微分方程来表述。 或二阶以上微分方程来表述。
D）阻力系数对控制对象时间常数的影响： 阻力系数对控制对象时间常数的影响： 若有两个底面积相同的单容水柜 A1=A2）， （A1=A2）， >R2， R1， 但 R1 >R2，T1=A1 × R1，T2=A2 × R2 则 T1 >T2 * * * t=0： dt 当t=0： dh(t) = K * ∆ µ = K µ R R A∆ µ = K µ A∆ µ T * h（∞）= K×△u=Ku×R×△u K×△u=Ku× ×△u ×△u=Ku 可见：阻力系数越大，时间常数越大； 可见：阻力系数越大，时间常数越大； 阻力系数变，被控量初始变化速度不变； 阻力系数变，被控量初始变化速度不变； 阻力系数变，被控量稳态值变化。 阻力系数变，被控量稳态值变化。
纯滞后过程控制
02
使分母的阶次不小于 分子的阶次
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 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
内模控制仿真1
内模控制仿真1（续）
内模控制仿真2
内模控制仿真2（续）
Tf ＝ 1
Tf ＝ 4
Tf ＝ 10
Tf ＝ 20
D
C
A
B
完全的内模控制结构
-
+
+
PID控制器
Smith预估控制器
单回路与Smith控制的对比仿真
仿真：模型一致的情况
2
Kc= 10 Ti = 1
3
单回路PID
1
Kc= 1.1 Ti = 20
4
Smith预估
对比仿真（续）
仿真：模型不一致的情况
模型无偏差
01
模型有偏差
02
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 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
作业
给下列系统设计一个纯滞后补偿器（史密斯补偿器）
其中
其中
一个纯滞后补偿器形式为： 试导出系统闭环传递函数，纯滞后从特征方程中除去了吗？
2
3
4
改进的Smith预估控制器
+ + + + + 理想Smith预估器 改进Smith预估器
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 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
基本内模控制结构
内模控制器 不是PID控制器
如何构成的？
内模控制器
内模控制
第二章 基本概念............................................................................................................. 4
2.1、 鲁棒性与鲁棒控制 .......................................................................................... 4
3.2、前馈控制器 Q 的设计 ....................................................................................... 9
3.3、反馈滤波器 F................................................................................................... 10
1.2、发展现状
经过十多年的发展，IMC 方法不仅已扩展到了多变量和非线性系统，还产生了 多种设计方法，较典型的有零极点对消法、预测控制法、针对 PID 控制器设计的 IMC 法、有限拍法等。IMC 与其他控制方法的结合也是很容易的，如自适应 IMC，采用 模糊决策、仿人控制、神经网络的智能型 IMC 等.值得注意的是，目前已经证明，已 成功应用于大量工业过程的各类预测控制算法本质上都属于 IMC 类，在其等效的 IMC 结构中特殊之处只是其给定输入采用了未来的超前值(预检控制系统)，这不仅 可以从结构上说明预测控制为何具有良好的性能，而且为其进一步的深入分析和改 进提供了有力的工具。
内模控制器设计 ： 摘 要 将内模控制器和传统的 Smith 控制器进行比较对照，总体论述内模控
纯滞后控制技术教学文案
N＝τ／T (τ-纯滞后时间，T -采样周期)
每采样一次，把 m(k) 记入 0 单元，同时把 0 单元原来存放 数据移到 1 单元，1 单元原来存放数据移到2单元……以此类 推。从 N 单元输出的信号，就是滞后N 个采样周期的 m(k－ N) 信号。
r(t) + -
e1(t) S
e1(k) + -
y (k)
e2(k)
u(k) S
PID
1 e s s
Gp (s)(1 e s )
1 e Ts S
y(t)
Gp (s)e s
5.3.2 达林算法
在工业过程(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。对象的这种纯滞后 性质常引起系统产生超调或者振荡。
y ( k ) a y ( k 1 ) b [ u ( k 1 ) u ( k N 1 ) ]
(3)计算偏差 e2(k) e2(k)e1(k)y(k)
(4)计算控制器的输出 u(k) 当控制器采用 PID 控制算法时，则
其中
u (k) u (k 1 ) u (k)
u(k)K P [e2(k)e2(k 1 )]K Ie2(k) K D [e2(k)2e2(k1 )e2(k2)]
纯滞后控制技术
史密斯预估控制原理
r(t) +
e(t)
-
u(t)
y(t)
D(s)
Gp (s)e s
图5.3.1 带纯滞后环节的控制系统
D(s) 表示调节器(控制器)的传递函数； Gp(s) e-τs 表示被控对象的传递函数； Gp(s) 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数； e -τs 为被控对象纯滞后部分的传递函数。
基于内模控制的工业控制系统仿真器鲁棒PID控制器设计
基于内模控制的工业控制系统仿真器鲁棒PID控制器设计王佳伟;杨亚非;钱玉恒;赵新宇【摘要】内模控制是一种基于被控对象数学模型的新型控制器设计方法,所设计的控制器具有鲁棒性强、参数整定方便等优点,已经在一些工业场合中得到了应用.为了提高学生对于内模控制方法的理解水平,该文首先简要介绍了内模控制的基本原理和内模PID控制器设计方法,介绍了工业系统仿真器实验平台的构成,并推导了其数学模型的表达式,然后利用内模控制原理为其设计了鲁棒PID控制器,通过仿真软件进行了实验验证,结果证明了内模控制方法的有效性.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2015(032)001【总页数】4页(P120-123)【关键词】内模控制;工业控制系统仿真器;鲁棒PID;控制器设计【作者】王佳伟;杨亚非;钱玉恒;赵新宇【作者单位】哈尔滨工业大学飞行器控制实验教学中心,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学飞行器控制实验教学中心,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学飞行器控制实验教学中心,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学飞行器控制实验教学中心,黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TP271内模控制(internal model control,IMC)是一种基于过程数学模型设计的新型控制策略,被广泛应用于现代控制系统,是一种实用的先进控制算法。
内模控制的特点是设计简单，参数整定直观、方便，鲁棒性强,并且对纯滞后有补偿作用,所在工程控制领域受到重视[1-4]。
近年来,内模控制已被应用于多变量系统和非线性系统。
基于内模控制原理设计的PID控制器在鲁棒性上要优于一般的PID控制器,是目前一种流行的鲁棒PID控制器设计方法。
工业控制系统仿真器可以模拟现代工业中使用的许多设备,例如:主轴传动机构[5]、单轴转台[6-8]、输送带[9-10]、机床[11-13]、自动装配机器[14-15],模拟这些设备的控制性能以及加入摩擦、改变齿轮间隙[16-17]或加入扰动后系统的响应情况。
纯滞后控制技术34页PPT
16、云无心以出岫，鸟倦飞而知还。 17、童孺纵行歌，斑白欢游诣。 18、福不虚至，祸不易来。 19、久在樊笼里，复得返自然。 20、羁鸟恋旧林，池鱼思故渊。
纯滞后控制技术
Hale Waihona Puke 谢谢你的阅读❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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。
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。
纯滞后控制技术
φu(z)极点距离 z = -1越近,振铃现象越严重。假设φu(z)含有 1/(z-a)因子(a<0),即φu(z)有z=a极点。则输出序列u(k)必有分 量:
u (k )
Z
1
z
1
a
Z
1
z
1
z
z
a
a k 1
因为a<0,当k-1为奇数时,u(k)为负,使控制作用减弱;当 k-1为 偶数时,u(k)为正,使控制作用加强。这就就是输出得控制量 两倍采样周期振荡得原因。也说明振零现象产生得原因就是 φu(z)有负实轴上接近z =-1得极点。
在控制系统设计中,对这类纯滞后对象得控制,快速性就是次 要得,主要要求系统没有超调或很少得超调。
达林(Dahlin)算法就是专门针对工业生产过程中含有纯滞后 控制对象得控制算法。
达林算法得设计目标就是:设计控制器使系统期望得闭环传 递函数等价于纯滞后环节与一阶惯性环节得串联。
1、数字控制器D(z)得形式 系统期望得闭环传递函数Ф(s)为:
T2 e 1/ T1 )
(z)
z
N
1
1
1 e
e T / T z T / T
1
可以得到达林算法得数字控制器为:
D(z)
(z) G ( z)(1 ( z))
(1 e T /T )(1 e T /T1 z 1 )(1 e T /T2 z 1 ) K (C1 C 2 z 1 )[1 e T /T z 1 (1 e T /T ) z N 1 ]
2、振铃现象及其消除 所谓振铃(Ringing)现象,就是指数字控制器得输出u(k)以 1/2采样频率(2T采样周期) 大幅度上下摆动。振铃现象对 系统得输出几乎无影响,但会增加执行机构得磨损,并影响 多参数系统得稳定性。
一阶纯滞后系统控制
目
录
1 引言 ................................................................. 1 1.1 课题背景 ........................................................... 1 1.2 课题综述 ........................................................... 1 2 纯滞后系统 ........................................................... 1 2.1 纯滞后系统的定义 ................................................... 1 2.2 Matlab/Simulink 软件简介 ........................................... 2 3 对一阶纯滞后系统的研究 ............................................... 5 3.1 常规 PID ............................................................ 5 3.1.1 常规 PID 及其组成 ................................................. 5 3.1.2 常规 PID 仿真 ..................................................... 7 3.2 串联 PID ............................................................ 8 3.2.1 串联 PID 组成及其框图 ............................................. 8 3.2.2 串联 PID 仿真及分析 ............................................... 8 3.3 PID 改进控制 ...................................................... 10 3.3.1 微分先行控制 .................................................... 10 3.3.2 中间微分控制 .................................................... 12 3.4 史密斯控制 ........................................................ 15 3.4.1 史密斯补偿控制 .................................................. 15 3.4.2 增益改进型史密斯补偿控制 ........................................ 18 4 结语 ................................................................ 21 参考文献 .............................................................. 22 致谢 ................................................... 错误!未定义书签。
内模控制技术讲解
表明控制器是Y (s) 跟踪 R(s) 变化的 理想控制器。
1 Y (s) GIMC(s)Gp (s)R(s) Gˆ p (s) Gp (s)R (s) R(s)
Y (s) GIMC(s)Gp (s)R (s) [1 GIMC(s)Gp (s)]D (s) 当模型没有误差，且没有外界扰动时
其反馈信号
Dˆ (s) [Gp(s) Gˆp(s)]U(s) D(s) 0 ——内模控制系统具有开环结构。
内模控制的主要性质
1.对偶稳定性 若模型是准确的，则IMC系统内部稳定的充要
条件是过程与控制器都是稳定的。 所以，IMC系统闭环稳定性只取决于前向通
道的各环节自身的稳定性。 结论：对来自开环不稳定系统，在使用IMC之
G (s)
Gm (s)
es
Y（s）
带纯滞后特性闭环系统的典型结构图
2.带纯滞后特性闭环系统的近似模型
Gb
(s)
1
Gc (s)G(s)es Gc (s)G(s)Gm (s)es
Gc (s)G(s)es
1 Gc (s)G(s)Gm (s)Pd (s)
R（s） -
Gc(s) Gm (s)
G (s) Pd(s)
前将其稳定。
内模控制的主要性质
2.理想控制器特性
当模型是准确的，且模型稳定，若设计控制器
使
GIMC
(s)
1 Gp (s)
，且 1 存在并可实现
Gp (s)
则，控制器具有理想控制器特性，即在所有时间 内和任何干扰作用下，系统输出都等于输入设定 值，保证对参考输入的无偏差跟踪。
内模控制的主要性质
3.零稳态偏差特性
I型系统（模型存在偏差，闭环系统稳定，只要设
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
控制习题答案
1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系；干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。
（1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。
但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。
控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。
控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。
（2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。
干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。
干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。
1.2 如何选择操纵变量？1）考虑工艺的合理性和可实现性；2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数；3）控制通道时间常数应适当小些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。
干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。
4）控制通道纯滞后越小越好。
1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。
随着δ减小，系统的稳定性下降。
1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。
试问：影响物料出口温度的主要因素有哪些？如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。
对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的
PI-307表示就地安装的压力指示仪表,工段号为3,仪表序号为07;TRC-303表示集中仪表盘安装的,具有指示记录功能的温度控制仪表:工段号为3,仪表序号为03;FRC-305表示集中仪表盘安装的,具有指示记录功能的流量控制仪表:工段号为3,仪表序号为05。
对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。
在控制通道如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。
在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。
对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。
在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。
T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。
在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。
21.解由过渡过程曲线可知最大偏差 A=950-900=50℃衰减比第一个波峰值B=950-908=42℃第二个波峰值B'=918-908=10℃衰减比n=42:10=4.2振荡周期 T=45-9=36min余差 C=908-900=8℃过渡时间为 47min。
由于最大偏差为50℃，不超过80℃，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。
1.对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。
2.各种对象千差万别，有的操作很稳定，操作很容易；有的稍不小心可能就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。
有经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。
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3.零稳态偏差特性
I型系统（模型存在偏差，闭环系统稳定，只要设
对系统的PID控制与Smith控制分别进行仿真。
PID控制的仿真程序
%L5405a.m n1=[2];d1=[4 1];G1=tf(n1,d1); tau=4;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp); n2=[7.023 4.295 0.06875]; d2=[0.9287 6.095 0];G2=tf(n2,d2); sys=feedback(G1*G2,Gp);
假若“模型可倒”，即Gˆp1(s) 可以实现
则令
1 GIMC(s) Gˆ p (s)
可得 Y (s) 0
不管 D(s) 如何变化，对 Y (s)的 影响为零。表明控制器是克服
外界扰动的理想控制器。
（2）当 D (s) 0, R(s) 0 时：
假若模型准确，即 GˆP(s) Gp(s)
Smith预估控制的阶跃响应曲线
较好的控制了对PID控制的振荡曲线，使被延迟了的被 控量提前反映到调节器，减小超调使之成为单调上升的 过程。
第二节 内模控制技术
内模控制(Internal Model Control——IMC） 是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型 控制策略。
它与史密斯预估控制很相似，有一个被称为 内部模型的过程模型，控制器设计可由过程模型 直接求取。设计简单、控制性能好、鲁棒性强， 并且便于系统分析。
1.什么是内模控制？
R(s)
GIMC(s) U(s)
Dˆ (s)
Gp (s)
D(s)
Y (s)
Gˆ p ( s)
Ym (s)
图6－1 内模控制结构框图
Gp (s) ——实际对象； Gˆ p(s) ——对象模型；
R(s) ——给定值；
Y (s) ——系统输出；
内模控制器的设计思路是从 理想控制器出发，然后考虑 了某些实际存在的约束，再 回到实际控制器的。
D(s) ——在控制对象输出上叠加的扰动。
讨论两种不同输入情况下，系统的输出情况：
（1）当 R(s) 0, D (s) 0 时：
假若模型准确，即 GˆP(s) Gp(s)
由图可见 Dˆ (s) D (s)
Y (s) D(s)[1 GIMC(s)Gp(s)] D(s)[1 GIMC(s)Gˆp(s)]
PID控制的阶跃响应曲线
超调量：8.7348%，峰值时间：6.5780s，调节时 间：7.0166s
Smith预估控制的仿真程序
%L1517a.m n1=[2];d1=[4 1];G1=tf(n1,d1); tau=4;[np,dp]=pade(tau,2);Gp=tf(np,dp); n2=[7.023 4.295 0.06875]; d2=[0.9287 6.095 0];G2=tf(n2,d2); sys=feedback(G1*G2,1);
的稳定性，使系统的控制品质变差。 3.纯滞后出现在前向通道 影响系统的稳定性和控制品质。
四、纯滞后系统的MATLAB计算及仿真 1.纯滞后特性的近似 用MATLAB函数命令pade( )来近似其传递函
数。 [np,dp]=pade(tan,n)
2.带纯滞后特性闭环系统的近似模型
R（s） -
Gc(s)
又因为 D (s) 0 ，则 Dˆ (s) 0
表明控制器是Y (s) 跟踪 R(s) 变化的 理想控制器。
1 Y (s) GIMC(s)Gp (s)R(s) Gˆ p (s) Gp (s)R (s) R(s)
Y (s) GIMC(s)Gp (s)R (s) [1 GIMC(s)Gp (s)]D (s) 当模型没有误差，且没有外界扰动时
G (s) Pd(s)
es
Y（s）
带纯滞后特性闭环系统的近似结构图
3.仿真实例：
已知大纯滞后系统的被控广义对象传递函数为
2e4s G0 (s) 4s 1
设定控制用PID调节器传递函数为
Gc
(s)
7.023 s2 4.295 s 0.6875 0.9287 s2 6.095 s
其反馈信号
Dˆ (s) [Gp(s) Gˆp(s)]U(s) D(s) 0 ——内模控制系统具有开环结构。
内模控制的主要性质
1.对偶稳定性 若模型是准确的，则IMC系统内部稳定的充要
条件是过程与控制器都是稳定的。 所以，IMC系统闭环稳定性只取决于前向通
道的各环节自身的稳定性。 结论：对于开环不稳定系统，在使用IMC之
前将其稳定。
内模控制的主要性质
2.理想控制器特性
当模型是准确的，且模型稳定，若设计控制器
使
1 GIMC(s) Gp (s)
，且 1 存在并可实现
Gp (s)
则，控制器具有理想控制器特性，即在所有时间 内和任何干扰作用下，系统输出都等于输入设定 值，保证对参考输入的无偏差跟踪。
内模控制的主要性质
第三章 内模控制技术
第一节 纯滞后特性对控制系统的影响
一、纯滞后特性
衡量过程具有纯滞后的大小通常采用过程纯滞 后时间与过程惯性时间常数的比。
0.3
T
0.3
T
时，一般纯滞后过程 时，大纯滞后过程
二、控制系统中纯滞后传递函数模型
典型环节传递函数 G(s) es1.一阶Biblioteka G(s) k es Ts 1
G (s)
Gm (s)
es
Y（s）
带纯滞后特性闭环系统的典型结构图
2.带纯滞后特性闭环系统的近似模型
Gb
(s)
1
Gc (s)G(s)es Gc (s)G(s)Gm (s)es
Gc (s)G(s)es
1 Gc (s)G(s)Gm (s)Pd (s)
R（s） -
Gc(s) Gm (s)
2.二阶
G(s)
k
e s
3.非自平衡过程
(T1s 1)(T2s 1)
G(s) k es Ta s
G(s)
k
e s
Tas(Ts 1)
三、纯滞后特性对控制系统的影响 控制系统典型结构
R（s） -
Gc(s)
F（s）
Gf(s)
G (s)
+ Y（s）
Gm (s)
三、纯滞后特性对控制系统的影响 1.纯滞后出现在干扰通道 系统的稳定性不受纯滞后特性的影响 2.纯滞后出现在反馈通道 特征根受到纯滞后时间的影响，不利于系统