一阶纯滞后系统控制

1.2 课题综述
在现代科学技术的众多领域中自动控制技术起着越来越重要的作用.自动控制是 指在没有人直接参与的情况下 ,利用外加的设备或装置 (称控制装置或控制器 ),使机 器,设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动的按照 预定的规律运行的控制技术. 为了实现各种复杂的控制任务,首先要根据设计要求将被控制对象和控制装置按 照一定的控制方式连接起来,组成一个有机的总体,这就是自动控制系统.在自动控制 系统中被控对象的输出量即被控量是要严格加以控制的物理量,它可以要求保持为某 一恒定值,例如温度,压力或飞行规迹等;而控制装置则是对被控对象施加控制作用的 机构的总体,它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制 ,但最基本的一种是 基于反馈控制原理的反馈控制系统. 在反馈控制系统中,控制装置对被控装置施加的控制作用,是取自被控量的反馈 信息,用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务 , 这就是反馈控制的原理.反馈过程中难免会产生滞后现象,纯滞后问题对工业生产的 影响越来越大,解决纯滞后问题具有非常重要的意义.
目
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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。
2.2 Matlab/Simulink 软件简介
Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，是一个交互式动态系统建模,仿真 和分析图形环境,是一个进行基于模型的嵌入式系统开发的基础开发环境 .Simulink 可以针对控制系统等进行系统建模，仿真，分析等工作。 Simulink 提供了一个建立控制系统方框图，并对系统进行模拟仿真的环境。在 Matlab 的命令主窗口中单击 File->New->Model，即可打开如图 2.1 所示的 Simulink 库浏览窗口。
摘
要
在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发 展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的 PID 控制以及微 分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。自动控 制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题： 如在本文中所研究的一阶纯滞后系 统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。 由控制理论可知， 无滞后控制系统 （简 单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。因此如何解决生产中 滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。论文在常规 PID 控制也就是比例-积分微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密 斯补偿控制。并对这三种方案进行 Simulink 仿真，检测其抗干扰性能。为便于分析， 论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。 关键词：自动控制，仿真，PID，复杂控制
1 引言
1.1 课题背景
在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等. 这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间 ,滞后严重时甚 至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是 工业过程中的难控制对象 ,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研 究中出现了多种控制方法,如 PID 控制、PID 改进控制、Smith 预估算法控制以及模 糊控制、神经网络控制等 .而对于最基础的一阶纯滞后系统常用的控制方法主要是 PID 控制、微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制等.
The control method research of the first-order delay system Abstract
The automatic control technology use more and more in modern industrial production, and as the industrial and control technology development, the automatic control theory are developed and perfected, a lot of controlled methods appear such as PID control which is the most basic control and differential first control, intermediate differential control, Smith compensation control, fuzzy control, nerve network control. Automatic control technology had experienced a series of questions in industrial production: as the first-order delay system control in this article which is a more important issue in the control theory. Known by the control theory,a no lag control system (simple say is no delay) is more stable and more easily controlled than a delay system . So it is particularly important of how to solve the lagging problem in the current industrial production . The articles propose three control methods such as differential first control 、 the middle of differential feedback control 、 smith compensation control base the conventional PID control in the other word is proportional - integral - derivative controller .And simulate this three programs by the simulink, testing its interference fearure. For convenient analyze the simulation result , the paper of the study derive from the simulation results by the graphical ,which we can easy understand and clear know the mean in the article. Key Words：automatic control; simulation; PID; complicated control
2 纯滞后系统
2.1 纯滞后系统的定义
在工业生产过程中，被控对象通常具有不同程度的纯延迟。例如气体物料、液体
物料通常经过管道传送，固体物料通过传送带传送。而在工业生产中利用改变物 料的流量来调节生产过程时，经过输送环节的传送时间（滞后）后，物料的变化 情况才能到达生产设备进而实现工艺参数的改变。这个输送过程的传送时间是一个 纯滞后时间。再如，在热交换过程中，经常将被加热物料的输出温度作为被控制量， 而把载热介质（如过热蒸汽）的流量作为控制量，载热介质流量改变后，经过一定时 间才表现为输出物料温度的变化。 系统这种表现可用含有纯滞后的传递性描述。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时显的 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。 随此比值的增加，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际生产过程中甚至会 因为严重超调而出现事故。[1] 由控制理论可知，无滞后比有滞后时系统更稳定，系统更容易控制。而且，无滞 后时稳定裕量无穷大，对应增益为无穷大；而当系统含有滞后时，稳定裕量有限时， 对应增益也有相应有限值。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。解决纯滞后系统问题对工业的重要性不言而喻。