第七章 时间滞后控制系统
纯滞后控制系统
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。
自动控制原理滞后系统设计知识点总结
自动控制原理滞后系统设计知识点总结自动控制系统是现代工程中广泛应用的一种技术手段，有助于实现对系统的自主控制和优化控制。
其中，滞后系统是一种常见的控制系统结构，其设计需考虑一系列的知识点。
本文将总结自动控制原理滞后系统设计的关键知识点，并提供相应的设计要点和注意事项。
一、滞后系统概述滞后系统是一种常用的控制系统结构，在许多工程领域中都有广泛应用。
它能够通过调节系统的反馈信号来实现输出信号的稳定性和响应速度的优化。
通常情况下，滞后系统能够提供较好的相位裕度和稳定裕度。
二、滞后系统设计的关键知识点1. 系统传递函数的确定在设计滞后系统之前，需要先确定系统的传递函数。
传递函数表征了输入信号和输出信号之间的关系，是设计滞后系统的基础。
2. 闭环控制系统的稳定性在设计滞后系统时，要考虑闭环控制系统的稳定性。
稳定性是系统正常运行的必要条件，可以通过判断系统传递函数的极点位置来评估系统的稳定性。
3. 相位裕度和稳定裕度的要求相位裕度和稳定裕度是滞后系统设计中两个关键的指标。
相位裕度用于评估系统抵抗振荡的能力，稳定裕度用于评估系统的稳定性。
在设计滞后系统时，要根据实际需求确定相应的裕度要求。
4. 滞后网络的设计滞后网络是滞后系统的关键组成部分，其设计需遵循一定的原则。
滞后网络的设计要点包括选取合适的组件、确定网络参数、考虑系统的动态响应等。
5. 可调节参数的选择滞后系统设计中，可调节参数的选择直接影响到系统的性能。
常见的可调节参数包括增益、衰减系数、相位角等，设计时需慎重选择，并进行合理的调整。
三、设计要点和注意事项1. 合理选择滞后网络的零点和极点，以满足系统的频域和时域性能指标要求。
2. 注意滞后系统的带宽和稳定裕度的平衡。
过大的带宽可能导致系统不稳定，而过小的带宽可能导致系统响应过慢。
3. 关注滞后系统的相位裕度，尽量确保系统有足够的相位裕度来抵抗振荡。
4. 注意滞后系统的稳定裕度，避免由于稳定裕度不足而导致系统不稳定或产生较大的超调。
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。
第1章过程控制系统概述习题与思考题
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
大滞后系统控制方法
大滞后系统控制方法
大滞后系统控制可有点小麻烦呢。
你想啊，就像你喊一个人，结果他过了老半天才有反应，这多让人着急。
那对于这种大滞后系统，有一种预测控制方法。
这就好比你要去赶火车，你知道火车啥时候开，路上大概会堵多久，那你就能提前规划好出门时间。
预测控制就是这么个道理，它根据系统的模型，去预测未来的输出，然后提前调整控制量。
比如说在一些化工生产里，从原料投入到产品出来可能有很长的滞后，通过预测控制就能提前调整进料量、温度这些参数，让最后的产品质量啥的都能符合要求。
还有一种方法是史密斯预估器。
这个东西可神奇啦，它就像是给这个滞后系统找了个替身。
它把这个滞后环节单独拎出来，然后通过一个预估模型，让控制器看到如果没有滞后的话系统应该是什么样的反应。
这样控制器就不会被滞后给搞晕头转向啦。
打个比方，就像你在玩一个有延迟的游戏，这个预估器就像是告诉你，要是没有这个网络延迟，你的操作应该会有什么样的结果，然后你就能更好地玩游戏啦。
模糊控制也能在大滞后系统里发挥作用哦。
模糊控制就不那么死板，它不是说精确地算出一个数值来控制。
就像你做菜的时候，你不会精确到放多少克盐，而是根据感觉，大概、差不多就行。
模糊控制对于大滞后系统，就是根据一些模糊的规则，比如“如果偏差大而且变化快，那就大幅度调整控制量”这种感觉的规则。
因为大滞后系统很难精确建模，模糊控制这种有点“随性”的方法有时候反而能取得不错的效果呢。
大滞后系统控制虽然有点难搞，但有了这些方法，就像给我们在黑暗中摸索的人点亮了一盏盏小灯，让我们能更好地驾驭这些“反应慢半拍”的系统啦。
控制系统中时间延迟影响的方法研究
控制系统中时间延迟影响的方法研究控制系统中时间延迟是指信号在传输过程中由于一些物理原因而引起的一定的时间延迟。
这种时间延迟会对系统的稳定性和性能产生不良的影响。
因此，控制系统中时间延迟影响的方法研究至关重要。
一、引言控制系统中时间延迟是一个常见的问题。
在自动控制、信号处理和通信系统等领域中，时间延迟是无法避免的。
时间延迟会导致系统的性能下降，降低系统的稳定性和可靠性。
所以，控制系统中时间延迟的研究是非常重要的。
二、控制系统中时间延迟的来源时间延迟的来源很多，例如：1. 传输线路的长度控制信号在传输过程中需要经过一定的距离，传输线路的长度就是一个重要的因素。
传输线路越长，信号传输的时间延迟也就越大。
2. 信号处理时间当控制信号需要进行处理时，信号处理时间也会对时间延迟产生影响。
例如，计算机的处理速度就会影响自动控制系统的响应速度。
3. 信号传输介质的特性信号传输介质的特性也会对时间延迟产生影响。
例如，光纤传输速度比电缆传输速度快，因此在使用光纤传输控制信号时，响应速度会更快。
三、控制系统中时间延迟的影响时间延迟会对控制系统的稳定性、精度和鲁棒性产生不良影响。
具体表现在以下几个方面：1. 系统的稳定性时间延迟会改变控制系统的时间响应特性，导致系统不稳定。
例如，在控制电机的运动时，如果控制信号的响应速度较慢，电机就会出现不稳定运动。
2. 系统的精度时间延迟会导致控制系统输出的结果与期望结果之间存在误差。
这会导致控制系统的精度下降，影响系统的性能。
3. 系统的鲁棒性时间延迟会使控制系统对外部干扰更加敏感，从而增加了系统的鲁棒性问题。
例如，在控制机器人时，时间延迟会导致机器人无法快速响应外部干扰，从而影响系统的鲁棒性。
四、控制系统中时间延迟的解决方法针对控制系统中时间延迟的影响，需要采用一系列的方法进行解决。
1. 建立数学模型为了更好地了解时间延迟对控制系统的影响，需要先建立一个合理的数学模型，分析控制算法和控制系统的特性。
滞后系统的控制方法
3科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008NO .27SC I ENCE &TECH NO LOG Y I NFOR M A TI O N 学术论坛在工业生产过程中,被控对象往往不同程度的存在着纯滞后。
由于纯滞后的存在,使得被控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,调节机构接受调节信号立即动作,也需要经过纯滞后时间t 以后,才波及被控量,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。
所以,具有纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程,其难控制程度将随着纯滞后t 占整个过程动态的份额的增加而增加。
一般认为纯滞后时间t 与过程的时间常数T 之比大于0.3则说明该过程是具有大迟延的工艺过程。
当t /T 增加,过程的相位滞后增加,使上述现象突出,可能引起系统的不稳定,被调量超过安全线,从而严重影响生产过程的控制品质及危及人身安全。
因此滞后系统的控制一直受到人们的关注,成为重要的研究课题之一。
1常规控制方法目前,对于大滞后的过程有很多解决的方法。
最简单的是利用常规调节器适应性强、调节方便的特点,经过仔细地调整,在控制要求不太苛刻的条件下,满足生产过程的要求。
1.1PI D 控制方案图1所示的是PI D 控制方案,微分环节的输入是对偏差做了比例积分运算后的值。
因此,实际上微分环节不能真正起到对被控参数变化速度进行校正的目的,克服动态超调的作用是有限的,该方案给定和扰动的闭环传递函数分别为:(1)滞后系统的控制方法蔡文镇(福建理工学校福州350002)摘要:本文对滞后系统的控制方法进行了研究。
首先介绍了几种常规控制方法的优越性及局限性,进而提出了为了满足高控制精度的采样控制和预测控制两种方法。
关键词:滞后控制PI D 中图分类号:TB 4文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2008)09(c )-0223-02(2)1.2微分先行控制方案微分作用的特点是能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数的偏差,它对克服超调现象能起很大作用。
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。
时滞系统几种控制策略研究
时滞系统几种控制策略研究时滞系统几种控制策略研究时滞系统是一类在实际控制中常见的系统，其特点是系统状态变量在对应的输出值上受到时间延迟的影响。
时滞系统在工程领域广泛应用，例如飞行器、机器人等。
然而，由于时滞的存在，时滞系统往往容易出现不稳定、震荡和性能下降的问题，因此如何有效地控制时滞系统，降低时滞对系统性能的影响成为了一个重要的研究方向。
针对时滞系统的控制策略研究，主要包括经典控制方法、自适应控制方法和智能控制方法等。
经典控制方法中，最常用的是PID控制器。
PID控制器是一种基于比例、积分、微分控制的经典控制策略，它能够对系统的误差进行调节。
然而，对于时滞系统，传统PID控制器存在不足之处，因为时滞会导致控制信号滞后，从而影响系统的稳定性。
因此，需要对PID控制器进行改进，使其能够对时滞系统进行有效的控制。
自适应控制方法通过根据系统的特性实时调整控制器的参数，从而适应系统的变化。
其中，模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control, MRAC）是一种常用的方法。
MRAC通过在线估计系统的模型，并根据估计的模型来调整控制器的参数，从而实现对时滞系统的控制。
此外，自适应滑模控制（Adaptive Sliding Mode Control, ASMC）也是一种常用的控制方法。
ASMC通过引入滑模面，并根据系统误差的变化调整滑模面的位置，以降低时滞对系统的影响。
智能控制方法中，模糊控制和神经网络控制是常见的策略。
模糊控制是一种基于模糊逻辑推理的控制方法，通过将人类的经验和知识转化为模糊规则，来对系统进行控制。
神经网络控制是一种通过训练神经网络来实现对系统的控制的方法，神经网络可以学习系统的非线性映射关系，并通过适当的训练来调整权值，从而实现对时滞系统的控制。
在实际应用中，不同的控制策略可以结合使用，以实现更好的控制效果。
例如，可以将PID控制器和模糊控制器结合，利用PID控制器对系统进行粗略调节，再利用模糊控制器进行微调，从而达到更好的控制效果。
自动控制原理滞后系统知识点总结
自动控制原理滞后系统知识点总结自动控制原理中，滞后系统是一种常见的控制系统，也是控制理论中的重要知识点之一。
本文将对滞后系统进行全面的知识点总结，包括定义、传递函数、特性、应用等方面，帮助读者更好地理解和应用滞后系统。
1. 滞后系统的定义滞后系统是一种控制系统，其输出信号滞后于输入信号。
它通过延迟输出信号，平衡输入和输出之间的关系。
滞后系统的主要作用是改变输入信号的相位，使得输出信号能够更好地适应被控对象的特性。
2. 滞后系统的传递函数滞后系统的传递函数可以通过数学模型来表示。
一般而言，滞后系统的传递函数可以用一阶滞后环节来描述，其传递函数表达式为：G(s) = K/(Ts+1)，其中K表示增益，T表示时间常数。
3. 滞后系统的特性滞后系统具有以下几个主要特性：3.1 相位滞后：滞后系统通过改变输入信号的相位来实现控制效果，使得输出信号能够滞后于输入信号。
3.2 幅频特性：滞后系统对于不同频率的输入信号具有不同的幅度衰减特性，可以通过调整滞后系统的参数来改变幅频特性。
3.3 稳定性：滞后系统对于特定的增益和时间常数可以实现系统的稳定性，保证系统的输出信号不会出现不稳定现象。
4. 滞后系统的应用滞后系统在自动控制中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：4.1 相位校正：滞后系统通过改变输入信号的相位，可以实现对系统输出信号的相位校正，提高系统的稳定性和响应速度。
4.2 频率补偿：滞后系统可以通过调整时间常数来实现对输入信号的幅度衰减特性，提高系统对不同频率信号的补偿能力。
4.3 参数调节：滞后系统的参数可以根据被控对象的特性进行调节，达到最佳的控制效果，提高系统的性能。
综上所述，滞后系统是自动控制原理中的重要知识点，它通过改变输入信号的相位来实现对系统的控制。
滞后系统具有相位滞后、幅频特性和稳定性等特点，并广泛应用于相位校正、频率补偿和参数调节等方面。
深入理解和掌握滞后系统的知识，对于掌握自动控制原理和应用具有重要意义。
第五章-时间滞后控制系统知识讲解
0 -0.2
0
Step Response
Smith PID
5
10
15
20
25
30
35
40
Time (sec)
Step Response 1.2
1
0.8
Smith
0.6
PID
0.4
C(t)
0.2
0
-0.2
-0.4
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Time (sec)
仿真结果显示，σp 和 tp、t s 都比单纯的
PID 控制小得多。
第四节 时滞系统控制方案比较
预估补偿方案 理论上，可以完全消除纯滞后对系统的影 响；对对象数学模型的精度有很大依赖性， 在工程上实现有一定难度。
常规控制方案 通用行强，价格低，维护调整方便，是常 用的方案。
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-IT10
++
IT1
ID
f2( pj )
u
qj
T2
WC
Wv
Wo2
IT2
WD
Wm 2
f1( qd、qy )
T1 Wo1
Wm1
-IT10
+
u
qj
T2
Wc
Wz
Wo2
Wo1
T1
ID +
WD / Wc1
+ IT1 Wm1
Wm2
等效对象的输入为 qj，输出为 IT1+ID。
Step Response 0.18
控制系统的滞后-超前校正设计
课 程 设 计题 目: 控制系统的滞后－超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是)2)(1()(++=s s s Ks G要求系统的静态速度误差系数110v K S -≥，相角裕度 45≥γ。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1）用MATLAB画出满足初始条件的最小K值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相角裕度。
（2）前向通路中插入一相位滞后－超前校正，确定校正网络的传递函数。
（3）用MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。
（4）用Matlab画出已校正系统的单位阶跃响应曲线、求出超调量、峰值时间、调节时间及稳态误差。
（5）课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录 (I)摘要 (II)1设计题目和设计要求 (1)1.1题目 (1)1.2初始条件 (1)1.3设计要求 (1)1.4主要任务 (1)2设计原理 (2)2.1滞后-超前校正原理 (2)3设计方案 (4)3.1校正前系统分析 (4)3.1.1确定未校正系统的K值 (4)3.1.2未校正系统的伯德图和单位阶跃响应曲线和根轨迹 (4)3.1.3未校正系统的相角裕度和幅值裕度 (7)3.2方案选择 (7)4设计分析与计算 (8)4.1校正环节参数计算 (8)的确定 (8)4.1.1已校正系统截止频率ωcω的确定 (8)4.1.4校正环节滞后部分交接频率aω的确定 (8)4.1.1校正环节超前部分交接频率b4.2校正环节的传递函数 (8)4.3已校正系统传递函数 (9)5已校正系统的仿真波形及仿真程序 (10)5.1已校正系统的根轨迹 (10)5.2已校正系统的伯德图 (11)5.3已校正系统的单位阶跃响应曲线 (12)6结果分析 (13)7总结与体会 (14)参考文献 (14)本科生课程设计成绩评定表........................................ 错误！未定义书签。
第七章 控制系统的性能分析与校正
反馈的功能：
1、比例负反馈可以减弱为其包围环节的惯性，从 而将扩展该环节的带宽。
2、负反馈可以减弱参数变化对控制性能的影响。 3、负反馈可以消除系统不可变部分中不希望有的
特性。
X i(s)
n1
n2
控制器 校正
对象1
对象2
校正
校正
X 0(s)
反馈串联的联结形式
一、利用反馈校正改变局部结构和参数
❖ 1、比例反馈包围积分环节
1. 设火炮指挥系统如图所示，其开环传递函数
系统最大输出速度为2转/min ，输出位置的容许误差小于2/秒。 (1) 确定满足上述指标的最小k值，计算该k值下的相位裕度和幅值裕度。 (2) 前向通路中串联超前校正网络Gc (s)=(1+0.4s)/(1+0.08s)，试计算相位裕度。
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
反馈校正、顺馈校正和干扰补偿。
X i(s) ＋ E
－
校正 串联
放在相加点之后
此处往往是一个 小功率点
＋ 控制器
－
N
X 0(s)
对象
校正 反馈
可以放在 任意位置
7-3 串联校正
一、串联校正（解决稳定性 和快速性的问题，中频段）
Gc(s)
X 0(s) X i(s)
R2 R1 R2
令
R1C S 1
和被包围环节G1(s)全然无关，达到了以1/ Hc(s)取代G1(s)的效果 反馈校正的这种作用，在系统设计和高度中，常被用来改选不希望有的某些 环节，以及消除非线性、变参量的影响和抑止干扰。
例：设其开环传递函数
G(s)
k
s(0.2s1)0 (.5s1)
第7章-大滞后控制系统
7.3 大滞后过程控制系统
如图是采用简单控制方案的大滞后过程控制系统
框图。其中Go(s)e －τoS为控制通道的广义传递函数， 特意将纯滞后环节e －τoS单独写出，并且变送器的传
递函数简化为1。该系统X(s)与Y(s)之间的闭环传递函
数为：
Y(s) X(s)
=
Gc (s)Go (s)e−τos 1+Gc (s)Go (s)e−τos
F(s)
Gf(s) U(s)
X(s)
+_
Gc(s)
Go(s)e-τoS
Y(s)
7.3 大滞后过程控制系统
若能将G0(s)e –τoS中的e –τoS补偿掉，则实现无滞 后控制。Smith提出了一种大滞后系统预估补偿控制 方法，图7.17是Smith预估补偿控制系统框图，Gb(s) 是Smith预估补偿器的传递函数。
7.3 大滞后过程控制系统
Y(s) F(s−
Gc (s)Go (s) 1+Gc (s)Go (s)
e −τ os }
由于上式第二项含有e -τoS项，表明系统对干扰
的控制作用比干扰作用纯滞后τ0时段，这仍然影响
控制效果。
因此，Smith预估补偿系统对设定值扰动的控制 效果很好；对负荷扰动的控制效果有所改善。
Gb (s) = Go (s)(1− e−τos )
F(s)
X(s)
+_
Gf(s)
U(s)
+
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Go(s)
e-τoS _
+
+
Y(s) Y’(s)
7.3 大滞后过程控制系统
可得到设定值X(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为
时滞系统的控制方法研究
１．１．３具有纯滞后对象的传递函数
由纯滞后环节的定义可知，环节的输出ｙｑ）和输Ａｘ（ｔ）之间有如下关系式：
ｙ（ｔ）＝ｘ（ｒ—ｒ）
（１·ｌ－１）
将上式进行拉氏变换后可得： ｙ（ｓ）＝Ｐ—Ｘ（ｓ）
（卜卜２）
所以纯滞后环节的传递函数为：
∥㈧：塑：Ｐ一。 Ｘｐ）
（１十３）
在工业自动调节系统中，常将调节系统概括为广义对象和工业调节器两个
后和控制存在滞后的时滞系统的变结构控制。仿真研究均说明了所设计的模糊自
适应控制算法和变结构控制算法的有效性。最后论文讨论了电厂锅炉过热汽温的 模糊控制系统，并设计了其硬件电路实现图。
关键词： 纯滞后 模糊控制 变结构控制 锅炉
塑更查兰堡主兰堡笙茎
Ａｂｓｔｒａｅｔ
Ｔｉｍｅ－ｄｅｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ．
§１．１ 纯滞后及其相关定义
１．１．１纯滞后的产生 在大量的自然与社会现象中，虽然对于一类确定性的运动规律，它们可以用
常微分方程来描述，但是客观事物的运动规律往往是复杂和多样的。一般来说， 在动力系统中总是不可避免地存在滞后现象，亦郎事物的发展趋势不仅依赖于当 前的状态，而且还依赖于事物过去的历史。其原因就在于实际系统变量的测量、 设备的物理性质以及信号的采集、传递和处理等多方面的因素均可导致输出响应 相对于输入的时间滞后现象【ｌ Ｊ。例如在传输过程中，因为物料量的改变必须经过 皮带输送机的一定的输送时间后才能到达工艺设备，而引起设备的操作发生改 变，这一段时间就称为纯滞后时间。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。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，被公认为较难控制的过程，其控制难度将随着纯滞后ｒ占整 个过程动态时间参数的比例增加而增加。另外，在一些工艺过程的自动调节中， 测量装置会存在较大的纯滞后，这在成分分析仪表及质量仪表中较常见。这种纯 滞后常可分为两大类，一类是取样脉冲导管较长而引起的纯滞后，这和上述传输 滞后相类似；另一类是测量系统中取样后进行分析处理和切换等待所造成的纯滞 后时间，这种纯滞后时同样会使调节系统的动作不及时而造成调节质量的恶化聊。
《控制工程基础》课件第七章线性离散系统
7.2 信号采样和保持
3. 信号恢复
信号的恢复是指将采样信号恢复为连续信号的 过程，能够实现这一过程的装置称为保持器。
保持器是具有外推功能的元件，保持器的 外推作用，表现为现在时刻的输出信号取决于过 去时刻离散 信号的外推。
kT t (k 1)T 时， e(nT t) a0 a1t a2t 2 amt m
[(s si )ri
X (s)
z
z esT
] ssi
1 d [(s 0)2 K z ]
(2 1)! ds
s2 (s a) z esT
s0
K
z
(s a) s2 (s a) z esT sa
Kz[(aT
1 eaT )z (1 eaT a2 (z 1)2 (z eaT )
对应的离散信号x*(t) 为
x*(t) 0 10 (t T ) 30 (t 2T ) 70 (t 3T )
x(t)在各采样时刻的值为 x(0)=0； x(T)=10； x(2T)=30； x(3T)=70；···
7.3 Z变换与Z反变换
4. 求Z反变换
2) 部分分式法
先将X(z)/z展开成部分分式
1) 线性定理：离散信号线性组合的Z变换等于它们的Z变换的线性组合。
式中a1、a2为常数。 2) 滞后定理(负偏移定理、右偏移定理)
上式表明时域信号滞后k个采样周期，其Z变换需乘以z-k。
7.3 Z变换与Z反变换
2. Z变换的基本定理 3) 超前定理(正偏移定理、左偏移定理)
k 1
Z[x(t kT)] zk [ X (z) x(T )z ] 0
(z 1)(z 0.5)
z 1
z 0.5
1 (0.5)k (k 0,1,2,, )
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。
第七章 时间滞后控制系统
7.5 三类时间滞后控制方案的综合比较
（1）改进型常规控制方案
该方案的特点是实施比较简单，调整方便； 当设定值频繁变化时，该方法能够明显改善控制系统的控制品质。 该方法适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。
（2）Smith预估补偿方案
该方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案； 但该方案以精确描述被控过程的动态特性为基础。 当模型不准确或模型参数随着运行工况变化时，该方案往往得不到预期 的补偿效果，因而单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到限制。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
③ 微分先行控制系统的随动特性：
Y ( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) R ( s) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的随动特性：
Y (s) Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s ) R ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s )
②
用/T的比值衡量滞后的大小。例如，当/T较大时，常规控制往往不能满足控制需求， 而需要采取特殊的控制策略；当/T较小时，一般采用常规控制即可。
③ 时间滞后系统控制方法分类： a.改进型常规控制方法； b.预估补偿方法； c.采样控制方法。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
① Smith预估补偿原理图
R E
-
Wc ( s )
Wo ( s)e s
Y
Ws ( s )
Smith预估补偿器 Smith预估补偿原理框图
②
Smith预估补偿的基本思想：首先估计出被控过程的动态特
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在Smith预估补偿控制等效方框图中，不能理解为测量信号从W0(s) 环节后取出，因为在实际过程中，该信号是不可测的，实际可测信 号仅仅是过程输出。因此，这种等效图，并不表示实际物理过程。 Smith预估补偿控制预估控制量U(s)对过程输出Y(s)将产生的影响； 预估是在过程模型已知的情况下进行的，所以，实现Smith预估补偿 的基础是过程动态模型已知。 对于大多数被控过程，过程模型只是真实过程的近似表示。利用过 程近似模型来建立Smith预估补偿控制器时，存在一定的误差。 由于纯滞后项为指数函数，所以纯滞后时间的误差对Smith补偿效果 的影响比较大。
② ③
④
⑤
7.4 采样控制方案
7.4.1 概述
①
常规PID控制方案难于控制大滞后过程，这主要是因为控制器的控制作用 不能及时的在被控量上反应出来，以至造成控制过头，引起过程超调严 重、甚至发生振荡。
②
采样控制的基本思想是 “ 调一下，等一等 ” ，即当控制器输出一段时间 后，就不再变化，而是保持此值至T时间或稍长，使得控制作用的效果可 以在被控量变化中反应出来，然后再根据偏差的大小决定下一次的控制 动作。
②
③
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
若广义对象的传递函数为：
Wo ( s)
2 e 4s 4s 1
当设定值作10％阶跃变化时，采用常规PID控制、微分先行控制以及中间反 馈控制三种方案分别进行控制，数字仿真结果如表7-1和图7-2所示.
控制方案 常规PID 微分先行 中间反馈
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ② 采样控制器的动态特性
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ③ 采样控制器的工作过程 当被控参数出现偏差e(t)，并且处在控制作用导通时间t0时， 控制器才接受这个偏差信息e(t)，产生校正作用； 当t>t0时，采样开关断开，控制作用进入保持时间，这时偏差 信号被切除，积分作用停止，保持器的输出维持在采样开关断 开时调节器的输出值上； 当t>t0+th时，采样开关再次闭合，控制作用导通，控制器再 次根据偏差信号产生相应的控制作用。 如此周而复始，直到偏差完全消除。
（3）采样控制方案 该方案是一种断续的控制方式，它无需精确掌握被控过程的动态 特性，就能克服过程中的纯滞后对控制质量的不利影响。 应该注意的是：控制作用的保持时间应略大于过程的滞后时间。
结 束
整定参数
超调量 32% 15% 8%
过渡过程时间 26min 21min 18min
K c 0.5, Ti 10, Td 0.03
K c 0 . 5 , T i 10 , T d 1
K c 0.25, Ti 10, Td 0.3
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
两个随动系统的分母相同，两系统过渡过程的动态稳定性是一样的； 常规PID控制系统比微分先行控制方案多了一个闭环零点，即
Y ( s) Wc 2 ( s)Y ( s) (1 Td s )Y ( s )
y (t ) y(t ) Td
d [ y(t )] dt
微分先行方案较常规PID方案少一个闭环零点，减少了输出瞬态变化对过程品质 的影响，故微分先行控制系统的随动特性优于常规PID控制系统。 结论：对于设定值变化频繁的时滞过程，微分先行控制方案可以改善过程的控制品质。
1957年，史密斯（Smith）提出了以补偿原理为基础的大滞后预估补偿方 案，这种方案被称为Smith预估补偿方案。它是按照被控过程的特性，设 想出一种模型并联在对象的两端，以补偿过程的动态特性，使补偿后的 等效对象中消除纯滞后特性，从而改善控制系统的控制质量。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
经过Smith预估补偿后，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s) 0
具有纯滞后的系统，经Smith预估补偿后，消去了系统特征方程中纯滞后因 素，因而可以消除过程纯滞后特性对系统稳定性的不利影响。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.3 Smith预估补偿控制应注意的问题 ——实测信号及过程模型
s 在闭环中的影响 Wo ( s )e Ws ( s) Wo ( s)
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
s ③ Smith预估补偿器为 Ws (s ) Wo ( s)(1 e )
R
E
-
Wc ( s )
Wo ( s )e s
Y
Wo ( s )
① 微分先行控制系统的基本结构
R
E
-
W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
Wc2 (s) 1 Td s
微分先行控制方案
R
E
-
W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
Wc2 ( s) 1 Td s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
7.5 三类时间滞后控制方案的综合比较
（1）改进型常规控制方案
该方案的特点是实施比较简单，调整方便； 当设定值频繁变化时，该方法能够明显改善控制系统的控制品质。 该方法适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。
（2）Smith预估补偿方案
该方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案； 但该方案以精确描述被控过程的动态特性为基础。 当模型不准确或模型参数随着运行工况变化时，该方案往往得不到预期 的补偿效果，因而单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到限制。
常规PID控制方案
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
② 微分先行控制的本质及特点：
微分先行方案本质上仍属PID控制系统。 微分先行方案的特点：控制器采用PI 控制规律；而将比例 微分作用移到反馈回路上去，将被控量和被控量的变化速 度同时反馈到控制器。
与常规PID控制作用相比，此时的PI控制器除了作用于被控 量的偏差之外，还要对被控量的变化速度进行PI运算，显 然，这将强化微分作用，减小滞后过程的超调量。
②
用/T的比值衡量滞后的大小。例如，当/T较大时，常规控制往往不能满足控制需求， 而需要采取特殊的控制策略；当/T较小时，一般采用常规控制即可。
③ 时间滞后系统控制方法分类： a.改进型常规控制方法； b.预估补偿方法； c.采样控制方法。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
③
采样控制的这种思想是宁愿让每次的控制作用弱一些，来避免控制器进 行不必要的过调动作。实际上，采样控制就是按偏差进行周期性断续控 制的一种控制方式。
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ① 采样控制系统基本组成
采样控制系统组成与常规PID控制系统的区别是增加了两个采样开关和 一个保持器，它们与控制器合在一起称为采样控制器。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
④ 微分先行控制系统的抗干扰特性：
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的抗干扰特性：
Y (s) Wo ( s) F ( s ) 1 Wc1 ( s )Wc 2 ( s)Wo ( s)
微分先行控制系统和常规PID控制系统的抗干扰性能是相同的。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.2 中间反馈控制方案 ① 中间反馈控制系统的基本结构：
R E W c1 (s ) 1 K c (1 ) Ti s F Wo (s ) Wo (s )e s Y
-
1 Td s
在中间反馈控制系 统中，微分作用和比 例积分作用是独立 的，系统的控制作用 是偏差的PI作用和被 控量变化速度所起的 校正作用之和。
从仿真结果可以看出，微分先行和中间反馈控制都能有效地克服超调现象，缩 短调节时间，而且这两种控制方案无需特殊设备，因此有一定的价值。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.1 概述
当/T较大时，可称为具有大滞后的过程。当工艺要求要达到较高的控制 品质时，前述改进型常规控制方案往往不能满足要求。
Y ( s ) W c 1 ( s )W o ( s ) R ( s ) 1 W 0 ( s )[W c 1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 W 0 ( s )[W c1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y (s) Wo (s) F (s) 1 Wc1 (s)Wc2 (s)Wo (s)
e s
-
后移至对象后
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
前移至滞后环节前
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
Smith预估补偿系统等效方框图
s Smith预估补偿前，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s )e 0
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
③ 微分先行控制系统的随动特性：
Y ( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) R ( s) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的随动特性：
Y (s) Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s ) R ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s )
第七章时间滞后控制系统
课程要点：